Stefanelli Cristian 3^E a. sc. 2007/2008
Il primo volo 17 dicembre 1903 - Il primo volo del Flyer: 12" la durata, 36 metri il percorso di Orville Wright; Il fratello Wilbur sostenne l'ala prima del decollo. L'aereo, un biplano con 12 metri di apertura, alare era munito di un motore di 20 Hp che azionava due eliche propulsive. Nello stesso giorno, pilotato da Wilbur, il Flyer rimase in volo per 59" percorrendo 259 metri.
Perchè un aereo vola? Un aeroplano si regge in volo a causa del flusso dell'aria che scorre al di sopra e al di sotto delle sue ali. Questo flusso genera una "portanza", cioè una forza verso l'alto che si oppone alla gravità, impedendo che l'aereo cada. L'aereodinamica La portanza Forze esercitate sull'ala: effetto Venturi Cosa succede se si sale di quota? Quanto veloci si può volare? Le ali a freccia Il motore: elica o turbina, cosa cambia?
L'aerodinamica La sezione trasversale ("profilo") dell'ala di un aeroplano deve soddisfare due requisiti: primo, la sua parte posteriore si deve restringere verso il basso con un bordo sottile, come un cuneo. Questa è la zona dove i due flussi d'aria, quello proveniente dalla parte superiore dell'ala e quello dalla parte inferiore, si ricongiungono e questo "profilo aerodinamico" assicura che i flussi si incontrino in modo graduale, senza effetti di turbolenza che aumenterebbero la resistenza dell'aria. Contrariamente a quanto si potrebbe credere, la forma della parte anteriore è meno critica.
L'aerodinamica Il profilo aerodinamico riduce la resistenza dell'aria (cioè "l'attrito atmosferico"). Gli esperimenti hanno mostrato che la forza resistente D, aumenta con la velocità v -- in effetti, aumenta come v2. È anche proporzionale alla densità dell'aria d. Tutti gli altri fattori vengono raggruppati in un coefficiente A che è proporzionale all'area dell'ala e dipende dalla forma della sua sezione trasversale (ed è qui che entra in gioco l'aerodinamicità) e dall'angolo di attacco con cui l'ala incontra il flusso d'aria (angolo = zero quando l'ala è allineata con il flusso dell'aria). D = A d v 2
L'aerodinamica La proporzionalità di v 2 la si può ricavare dal seguente ragionamento: l'ala di un aeroplano investita da un flusso d'aria perde energia soprattutto per scansare lateralmente l'aria che si trova sul suo percorso. Se la configurazione delle linee di flusso attorno all'ala è la stessa, sia a bassa che ad alta velocità (il che è ragionevolmente vero), quando v raddoppia, la velocità dell'aria spostata lateralmente raddoppia anch'essa, e da questo processo l'energia (cinetica) ceduta all'aria, che è proporzionale a ½ mv 2 dovrebbe aumentare di due volte. Home
Ma cosa succede alla massa? La portanza Raddoppiando la velocità, l'ala avanza di una distanza doppia ogni secondo, rispetto a quello che avveniva prima, per cui la massa m di aria scansata dal suo percorso raddoppia anch'essa. La rapidità complessiva con cui l'energia è ceduta dall'ala all'aria circostante, quindi,aumenta di 4 volte. Questa rapidità con cui l'energia viene ceduta deve corrispondere al lavoro meccanico compiuto ogni secondo dalla forza D (cioè la potenza richiesta): anche questa potenza deve quindi aumentare di 4 volte. Poiché la distanza percorsa ogni secondo è v, il lavoro compiuto ogni secondo è Dv. Se v raddoppia e Dv aumenta di 4 volte, allora D deve crescere di 2 volte - - un aumento proporzionale a v 2. Home
La portanza Un aereo rimane in volo grazie a una forza diretta verso l'alto, detta portanza, che è applicata sulle ali dell'aereo ed è generata dall'aria attraverso cui le ali si muovono. La figura che si sta osservando è pensata nel sistema di riferimento in cui l'ala sia ferma e l'aria le scorre sopra e sotto. Home
La portanza Quindi possiamo dire che la portanza, una forza diretta verso l'alto generata dal flusso dell'aria che scorre attraverso le ali, è il secondo requisito per cui un aereo possa volare. Per generare una portanza, l'ala deve essere non simmetrica ossia piatta sulla parte inferiore, ma incurvata sulla parte superiore. Questa forma accelera il flusso d'aria sopra l'ala, riducendo in tale zona la pressione, per cui la pressione sulla parte inferiore dell'ala è maggiore di quella sulla parte superiore e il risultato è una forza verso l'alto.
La portanza Inoltre molti progettisti, grazie alla galleria del vento, sono riusciti a verificare che la portanza generata da un'ala è approssimativamente proporzionale alla densità d dell'aria e al quadrato della velocità v del flusso d'aria sopra l'ala stessa: L = B d v 2
La portanza In questa formula L è la portanza espressa in newton, d la densità dell'aria (circa 1,3 kg/metro3 al livello del mare) e v può essere espressa in metri/sec, km/ora o miglia/ora,comunque si preferisca. Il fattore B dipende dal profilo dell'ala, dalla sua lunghezza e dalla sua larghezza: un'ala più grande ovviamente genera una portanza maggiore.
La portanza Inoltre la portanza è proporzionale alla resistenza atmosferica: gli aeroplani generalmente volano con un "angolo di attacco" (definito precedentemente) che fornisce la prestazione più economica quando il rapporto portanza/resistenza atmosferica è al suo massimo. Il valore "migliore" dipende dalla configurazione dell'ala e può andare da 10 (o anche meno negli aerei militari) fino a 50 (negli alianti con le massime prestazioni).
La portanza Si può aumentare la portanza aumentando l'angolo di attacco (come si fa con un aquilone), ma a prezzo di una maggiore resistenza atmosferica. Inoltre, se l'angolo è troppo ripido, il flusso regolare al di sopra dell'ala diventa perturbato e l'ala va "in stallo", perdendo immediatamente quasi tutta la sua portanza. Si è scoperto che molti incidenti aerei sono stati causati da un improvviso stallo.
La portanza è uguale all'effetto Venturi In altre parole la portanza può essere considerata come la formula dell'effetto Venturi, ottenuta dalla formula di Bernoulli che afferma che: p+ ½ dv 2 + dgy = costante dove p=pressione d=densità del fluido g=acc. gravità y=quota v=velocità Home
La portanza è uguale all'effetto Venturi Infatti se noi chiamiamo con A la zona sotto l'ala e con B la zona sopra l'ala otteniamo: p A + ½ dv 2 A = p B + ½ dv2 B poichè eguagliando a con b i due membri dgy si eliminano. Se prendiamo in considerazione l'ala in un sistema di riferimento incui esse sia ferma e l'aria gli scorre sopra e sotto allora possiamo dire che v A = 0 e p è maggiore, mentre v B > 0 e p è minore. Ne risulta dunque che la pressione sotto l'ala sia maggiore di quella sopra, e quindi, essa è spinta verso l'alto, appunto da questa forza che viene denominata PORTANZA. Home
Cosa succede se si sale di quota? Supponiamo di voler progettare un aereo di linea che pesi W chilogrammi (circa10 W newton). In volo orizzontale, naturalmente, la portanza deve controbilanciare il peso dell'aeroplano L = W per cui B d v 2 = W Il valore di W è determinato da B --; in altre parole, l'ala deve essere abbastanza lunga, larga ed efficiente da sostenere il peso W dell'aereo in volo a pieno carico. Home
Cosa succede se si sale di quota? Quanto in alto e quanto veloce deve volare l'aereo di linea? I passeggeri vogliono raggiungere la loro destinazione rapidamente, per cui i progettisti devono proporsi un'alta "velocità di crociera". Tuttavia, i passeggeri gradiscono anche un atterraggio senza rischi, e quindi la velocità all'atterraggio deve essere bassa. Home
Cosa succede se si sale di quota? La velocità è anche il motivo principale per cui gli aerei di linea volano ad una quota vicina ai 10 mila metri. La densità dell'aria si dimezza per ogni aumento di 5 km di quota, per cui a 10 km, d è circa 1/4 del valore al livello del mare e un aeroplano può raddoppiare la sua velocità per ottenere la stessa portanza, con la stessa resistenza atmosferica D (che, come si è visto, aumenta anch'essa come dv 2 ). Home
Cosa succede se si sale di quota? La ragione principale per cui gli aerei di linea hanno la cabina pressurizzata è che in tal modo possono volare più in alto, per poter volare più veloci. Home
Quanto veloci possono volare? La Il limite pratico sembra essere attorno a 960 km/ora (600 miglia all'ora). Avvicinandosi di più alla velocità del suono (1224 km/ora, ma variabile con la temperatura), il flusso dell'aria sopra le ali genera delle onde d'urto che aumentano l'attrito atmosferico e diminuiscono la portanza. Per ottenere velocità così alte è necessario l'impiego di ali a freccia. Home
Quanto veloci possono volare? In foto un f-14 che supera la velocità del suono. Home
Le ali a freccia Le ali dei piccoli aeroplani, i quali volano a basse velocità, sono in genere ortogonali alla fusoliera, una configurazione che offre la migliore efficienza. Sui grandi aerei di linea, o sui veloci aviogetti militari, d'altra parte, le ali sono spesso configurate a freccia; alcuni aviogetti militari possono addirittura variare l'orientamento delle ali ortogonali per la migliore efficienza al decollo e all'atterraggio, e orientarle a freccia per il volo prossimo alla velocità del suono. Home
Le ali a freccia Alla velocità del suono, la resistenza dell'aria ("attrito atmosferico") aumenta fortemente, poiché l'aria non riesce a togliersi in tempo dal muso del velivolo, per cui viene compressa e riscaldata. Il calore è una forma di energia e per produrla qualcos'altro deve cedere la sua energia; in questo caso, è il moto, che così causa un crescente attrito per cui la "portanza" delle ali, quindi, soffre. In effetti, questi problemi cominciano parecchio prima che venga raggiunta la velocità del suono, poiché una parte del flusso d'aria al di sopra delle ali ha una velocità più alta e può quindi raggiungere la velocità del suono prima che sia l'aeroplano a raggiungerla. Home
Le ali a freccia Però si può un po' "giocare d'astuzia" piegando le ali all'indietro, di un certo angolo s. In questo modo, anche se l'aria colpisce l'aeroplano con velocità v, il vettore velocità può essere scomposto in due componenti perpendicolari tra loro, una velocità del flusso v sin s diretta lungo l'ala e una velocità del flusso v cos s diretta perpendicolarmente ad essa. Entrambe queste componenti sono minori di v, poiché entrambi (sin s) e (cos s) sono sempre minori di 1.
Le ali a freccia Si può ora dire che il flusso d'aria lungo l'ala non causa alcun effetto di accumulo, e non influisce sulla portanza né sull'attrito atmosferico, e si può quindi ignorare. Soltanto il flusso perpendicolare v cos s ha tali effetti, e, in una teoria grossolana, l'efficienza delle ali dipende solo da quanto è prossima alla velocità del suono la velocità della componente perpendicolare.
In questo modo le ali a freccia permettono all'aereo di volare a una velocità un po' più prossima a quella del suono, senza subire gli effetti negativi. Le ali a freccia
Eliche o turbine, cosa cambia? Nella turbina il primo elemento che incontriamo è la PRESA D ARIA, che, come dice il nome, ha il compito di captare l aria esterna e convogliarla verso le altre parti del motore; al suo interno avviene già una prima piccola compressione per effetto dinamico. Home
Eliche o turbine, cosa cambia? L aria così aspirata viene inviata al COMPRESSORE (che può essere o centrifugo o assiale: il primo in uso nei piccoli motori e nelle turboeliche, il secondo è generalizzato su tutti i grossi motori), dove l aria viene compressa fino a raggiungere rapporti di compressione molto elevati. In seguito l aria viene inviata alle CAMERE DI COMBUSTIONE, dove viene iniettato il combustibile (Jet-A1) e si ha quindi la combustione. Home
Eliche o turbine, cosa cambia? Non tutta l aria uscente dal compressore viene bruciata nelle camere, la maggior parte di quest aria non partecipa alla combustione: ad esempio, se la quantità di aria compressa è, in peso, 60 volte maggiore della quantità di combustibile, di queste 60 parti, 15 vengono utilizzate per la combustione (aria primaria e secondaria), le altre 45 parti in peso lambiscono esternamente la camera, raffreddandola, e si uniscono ai prodotti della combustione successivamente, prima dell entrata in turbina, diminuendo la temperatura del flusso. Home
Eliche o turbine, cosa cambia? La turbina sfrutta l energia dei gas (pressione e temperatura) per produrre il lavoro necessario all azionamento del compressore, alla quale è collegata mediante un albero. I gas uscenti dalla turbina vengono poi avviati all UGELLO DI SCARICO, nel quale subiscono una ulteriore espansione, uscendone ad elevata velocità andando a costituire il getto. Questo getto in uscita dal motore provoca, per reazione, una spinta in avanti, che è poi la spinta che provoca il movimento dell aereo.
Eliche o turbine, cosa cambia? Il principio per cui ciò accade è il seguente: supponiamo di dover far uscire una massa di gas da un ugello di un contenitore, imprimendole un'accelerazione; per far questo dovremmo applicare una forza F=m(U-V) (dove m è il flusso massico, una portata, cioè una massa al secondo, U la velocità del getto e V la velocità del contenitore). Tale espressione deriva dalla generica F=ma di Newton. Per il terzo principio della dinamica, se F è la forza applicata al gas per farlo uscire dall'ugello, sulla parete del contenitore opposta all'ugello, si eserciterà una reazione S, pari ad F come grandezza e direzione ma di verso opposto. Tale S è la spinta, e vale sempre m(u-v). La forza F e la spinta S si hanno anche nel vuoto: S si genera infatti per reazione al solo fenomeno della fuoriuscita del flusso m alla velocità (U-V).
Eliche o turbine, cosa cambia? Il mezzo esterno può influenzare la spinta in funzione della sua densità. Tutto quello che c'è dentro il contenitore, nel nostro caso il motore a getto, ha il solo scopo di accelerare la massa d'aria che lo attraversa. La spinta è quindi genericamente data dalla relazione: S=m(U-V) Dove m, come detto, è il flusso di massa nell unità di tempo (quindi una massa diviso tempo), U è la velocità di uscita del getto, V è la velocità di volo dell aeromobile.
Eliche o turbine, cosa cambia? Un po' diversa invece è la struttura dell'elica, che deve avere la stessa portanza lungo tutto il braccio, e quindi la medesima spinta. Premesso che la portanza è direttamente proporzionale all'angolo di incidenza e l'angolo di incidenza varia con la velocità; essendo la velocità periferica delle pale crescente dal mozzo verso l'estremità, per mantenere costante la portanza dovrà essere per forza modificato il calettamento.
Eliche o turbine, cosa cambia? Ed è per questa ragione che l'elica si presenta svergolata, cioè con un calettamento variabile dal mozzo verso l'estremità. Cioè il calettamento diminuisce man mano che aumenta sul profilo dell'elica la velocità periferica allontanandosi dal mozzo.
FINE