L’aerodinamica è lo studio di come i gas interagiscono con i corpi in movimento. Poiché il gas che incontriamo di più è l’aria, l’aerodinamica si occupa principalmente delle forze di resistenza e portanza, che sono causate dall’aria che passa sopra e intorno ai corpi solidi. Gli ingegneri applicano i principi dell’aerodinamica alla progettazione di molte cose diverse, tra cui edifici, ponti e persino palloni da calcio; tuttavia, la preoccupazione principale è l’aerodinamica di aerei e automobili.
L’aerodinamica entra in gioco nello studio del volo e nella scienza della costruzione e del funzionamento di un aereo, che si chiama aeronautica. Gli ingegneri aeronautici usano i fondamenti dell’aerodinamica per progettare aerei che volano attraverso l’atmosfera terrestre.
La resistenza aerodinamica
La forza aerodinamica più significativa che si applica a quasi tutto ciò che si muove nell’aria è la resistenza. La resistenza è la forza che si oppone al movimento di un aereo nell’aria, secondo la NASA. La resistenza è generata nella direzione in cui l’aria si muove quando incontra un oggetto solido. Nella maggior parte dei casi, come nelle automobili e negli aerei, la resistenza è indesiderabile perché ci vuole potenza per superarla. Ci sono, tuttavia, alcuni casi in cui la resistenza è benefica, come nel caso dei paracadute, per esempio.
Per descrivere la quantità di resistenza di un oggetto, usiamo un valore chiamato coefficiente di resistenza (cd). Questo numero dipende non solo dalla forma dell’oggetto ma anche da altri fattori, come la sua velocità e la rugosità della superficie, la densità dell’aria e se il flusso è laminare (liscio) o turbolento. Le forze che influenzano la resistenza includono la pressione dell’aria contro la faccia dell’oggetto, l’attrito lungo i lati dell’oggetto e la pressione relativamente negativa, o aspirazione, sul retro dell’oggetto. Per esempio, il cd per una piastra piatta che si muove di faccia attraverso l’aria è circa 1,3, un cubo di faccia è circa 1, una sfera è circa 0,5 e una forma a goccia è circa 0,05. Il coefficiente di resistenza per le automobili moderne è da 0,25 a 0,35, e per gli aerei è da 0,01 a 0,03. Calcolare il cd può essere complicato. Per questo motivo, è solitamente determinato da simulazioni al computer o da esperimenti nella galleria del vento.
Aerodinamica degli aerei
Per superare le forze di resistenza, un aereo deve generare spinta. Questo viene realizzato con un’elica a motore o un motore a reazione. Quando l’aereo è in volo livellato a velocità costante, la forza della spinta è appena sufficiente a contrastare la resistenza aerodinamica.
L’aria in movimento può anche generare forze in una direzione diversa dal flusso. La forza che impedisce a un aereo di cadere è chiamata portanza. La portanza è generata dall’ala di un aereo. Il percorso sopra la parte superiore curva di un’ala è più lungo del percorso lungo la parte inferiore piatta dell’ala. Questo fa sì che l’aria si muova più velocemente sopra la parte superiore che lungo la parte inferiore. A parità di tutti gli altri fattori, l’aria che si muove più velocemente ha una pressione inferiore a quella dell’aria che si muove più lentamente, secondo il principio di Bernoulli, enunciato da Daniel Bernoulli, uno dei pionieri più importanti nel campo della fluidodinamica. Questa differenza è ciò che permette all’aria più lenta in movimento di spingere verso l’alto contro la parte inferiore dell’ala con una forza maggiore rispetto all’aria più veloce che spinge verso il basso contro la parte superiore dell’ala. In volo livellato, questa forza verso l’alto è appena sufficiente a contrastare la forza verso il basso causata dalla gravità.
Le forze aerodinamiche sono anche usate per controllare un aereo in volo. Quando i fratelli Wright fecero il loro primo volo nel 1903, avevano bisogno di un modo per controllare il loro aereo per salire, scendere, inclinarsi e girare. Svilupparono quello che è noto come controllo a tre assi per passo, rollio e imbardata. Il beccheggio (naso che punta verso l’alto o verso il basso) è controllato da un elevatore (i “flap”) sul bordo posteriore o di uscita dello stabilizzatore orizzontale nella sezione di coda. Il rollio (inclinazione a sinistra o a destra) è controllato dagli alettoni (anche i flap) sul bordo d’uscita delle ali vicino alle estremità. L’imbardata (naso che punta a sinistra o a destra) è controllata dal timone sul bordo di uscita dello stabilizzatore verticale nella sezione di coda. Questi controlli utilizzano la terza legge del moto di Newton perché generano forza deviando il flusso d’aria nella direzione opposta al movimento desiderato. Questa forza è anche ciò che permette agli aerei acrobatici di volare a testa in giù.
Un pilota può anche usare i flap sulla sezione interna del bordo di uscita dell’ala durante il decollo e l’atterraggio. Quando sono in posizione abbassata, i flap aumentano sia la portanza che la resistenza per permettere all’aereo di volare più lentamente senza andare in stallo. Alcuni aerei più grandi possono anche estendere le lamelle sulla parte anteriore o sui bordi d’entrata delle ali per aumentare la portanza a basse velocità.
Quando il flusso d’aria regolare sull’ala di un aereo viene interrotto e questo riduce la quantità di portanza, si può verificare uno stallo. Secondo il Federal Aviation Administration’s Airplane Flying Handbook, “Questo è causato quando l’ala supera il suo angolo critico di attacco. Questo può verificarsi a qualsiasi velocità, in qualsiasi assetto, con qualsiasi impostazione di potenza”. Tipicamente, la maggior parte degli stalli si verificano quando un aereo si muove troppo lentamente con il naso ad un angolo troppo alto verso l’alto. L’aria non scorre più lungo la superficie superiore, ma si stacca e forma vortici turbolenti sulla parte superiore dell’ala. Questo fa sì che l’aereo perda la portanza e cominci a cadere, a volte piuttosto bruscamente.
Un’altra cosa che può succedere in un aereo è una rotazione. L’Airplane Flying Handbook definisce uno spin come “uno stallo aggravato che risulta in ciò che viene definito ‘autorotazione’ in cui l’aereo segue un percorso a cavatappi verso il basso”. Questo di solito si verifica in una virata lenta quando l’ala interna più lenta va in stallo, e l’ala esterna sta ancora generando portanza. “Soprattutto a bassa quota, il recupero di uno spin può essere difficile se non impossibile in molti aerei”, secondo Scot Campbell, un dottorando in ingegneria aerospaziale all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, e Donald Talleur, un assistente capo istruttore di volo all’Università dell’Illinois Institute of Aviation, scrivendo in “The Aerodynamics of a Spin”, per la Canadian Owners and Pilots Association. Uno dei motivi è il pericolo di entrare in uno spin piatto in cui entrambe le ali e tutte le superfici di controllo sono in stallo, e l’aereo cade come un seme d’acero.
L’aerodinamica delle automobili
Le automobili hanno iniziato a usare forme aerodinamiche nella prima parte della loro storia. Quando i motori divennero più potenti e le auto più veloci, gli ingegneri automobilistici si resero conto che la resistenza del vento ostacolava significativamente la loro velocità. Le prime auto ad adottare una migliore aerodinamica, o snellimento, furono le auto da corsa e quelle che cercavano di battere il record di velocità su terra.
“Sognatori, ingegneri, corridori e imprenditori furono attratti dal potenziale dei profondi guadagni offerti dall’aerodinamica”, ha scritto Paul Niedermeyer, autore di “Automotive History: An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics”, sul sito web Curbside Classic. “Gli sforzi per farlo hanno prodotto alcune delle auto più notevoli mai realizzate, anche se hanno sfidato i presupposti estetici del loro tempo.”
Per quanto riguarda l’aerodinamica di un’auto da corsa, il Dr. Joe David, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, e conosciuto come “Mr. Stock Car” alla North Carolina State University, ha detto: “La maggior parte dei cavalli generati da un motore da corsa è consumata dall’aria ad alta pressione che spinge la parte anteriore dell’auto e dall’aria a bassa pressione – un vuoto parziale – che trascina l’auto da dietro.”
Tuttavia, la resistenza non può essere l’unica considerazione. Mentre la portanza è desiderabile per un aeroplano, può essere pericolosa per un’automobile. Al fine di mantenere un migliore controllo per lo sterzo e la frenata, le auto sono progettate in modo che il vento eserciti una forza verso il basso quando la loro velocità aumenta. Tuttavia, aumentando questa forza verso il basso aumenta la resistenza, che a sua volta aumenta il consumo di carburante e limita la velocità, quindi queste due forze devono essere attentamente bilanciate.
Molte classi di auto da corsa usano profili alari mobili per regolare la forza dell’aria verso il basso sull’auto. Quando si imposta un’auto da corsa, si deve anche considerare la turbolenza causata dalle altre auto in pista. Ciò richiede la regolazione delle lamine d’aria sull’auto per produrre una maggiore forza verso il basso durante la gara rispetto a quella necessaria per le qualifiche quando l’auto è in pista da sola. Questo è il motivo per cui i tempi sul giro durante le qualifiche sono di solito molto più veloci di quelli della gara.
Molti degli stessi principi aerodinamici usati nelle corse si applicano anche alle auto e ai camion normali. Gli ingegneri automobilistici usano simulazioni al computer ed esperimenti nella galleria del vento con modelli in scala e veicoli reali per mettere a punto l’aerodinamica delle automobili in modo da generare la quantità ottimale di forza verso il basso per le ruote anteriori e posteriori con la minor quantità possibile di resistenza.
Altre risorse
- Vedi una galleria di alcune automobili aerodinamiche davvero belle su Curbside Classic’s Illustrated History of Automotive Aerodynamics.
- Il sito dello Smithsonian National Air and Space Museum ha attività e progetti multimediali su “How Things Fly.”
- Misura il coefficiente di resistenza della tua auto in un esperimento sul sito di Instructables.
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