Come facciamo a volare? Com’è possibile che velivoli da tonnellate di chilogrammi siano in grado di staccarsi da terra?
A parte nei casi di razzi, aerostati (ad esempio mongolfiere) e particolari velivoli militari il volo è concesso grazie alla portanza. Questi velivoli sono definiti aerodine.
Questi velivoli sfruttano l’interazione tra l’aria e un corpo da cui nasce una forza aerodinamica. La resistenza aerodinamica e la portanza sono due delle componente della forza aerodinamica
La portanza è definita come la componente della forza aerodinamica perpendicolare alla direzione del vento relativo. Quindi se non c’è vento e l’aeromobile avanza come nell’immagine la portanza sarà rappresentata dalla freccia verde sopra l’ala.
Per generare portanza è necessaria una forma particolare che sarà diversa a seconda delle velocità per cui è studiato il velivolo.
Ogni corpo aerodinamico è caratterizzato da dei coefficienti e questi compaiono nelle formule più semplici della portanza e della resistenza aerodinamica:
Come si vede dalla formula la portanza dipende dalla densità dell’aria (ρ), la superficie, in pianta, del corpo considerato (S), da un coefficiente detto di portanza (Cp) ma soprattutto dalla velocità (V), con un contributo quadratico.
Il coefficiente di portanza dipende dalla forma del corpo e dalla sua posizione rispetto al vento relativo. Ad esempio la portanza generata dall’ala di un aereo se va in avanti è superiore rispetto allo stesso aereo che si muove (ipoteticamente) all’indietro.
Ala fissa
Un aereo, definito aerodina ad ala fissa, genera portanza grazie ai motori che, generando spinta, accelerano l’aereo. Quando la velocità è tale per cui la portanza generate dall’ala è maggiore del peso del velivolo, questo potrà decollare.
Ala rotante
Anche un’aerodina ad ala rotante, ad esempio un elicottero, un quadricottero, un aerogiro, eccetera, vola grazie alla portanza. In questi casi però si ha un’ala o più (dette solitamente pale) che ruotano attorno ad un asse. In questo caso il vento relativo dipende prevalentemente dalla velocità rotazione delle pale piuttosto che dalla velocità del mezzo.
Automobilismo
Anche nell’ambito dell’automobilismo si sfrutta questa forza. Per auto stradali comuni si cerca di migliorare la forma del veicolo così da ridurre la resistenza all’avanzamento, mentre in ambito sportivo la si usa per avere percorrenze maggiori in curva.
Prendendo uno degli esempi più estremi, in Formula 1 le auto sono dotate di ali e diverse appendici aerodinamiche per avere una portanza negativa, detta deportanza.
Si sfrutta la deportanza per migliorare l’aderenza del veicolo ad alte velocità.
La forza aerodinamica
Ma come si genera la portanza? Come già detto è una componente della forza aerodinamica insieme alla resistenza e dipende dalla forma del corpo. Prendendo in considerazione un profilo aerodinamico che potrebbe essere usato per l’ala di un aereo o le pale di un elicottero, vediamo cosa succede alla velocità.
Le varie linee colorate rappresentano il percorso delle particelle di aria attorno al profilo.
Si nota (da destra a sinistra) che inizialmente sono verdi e attorno al corpo cambiano colore per poi tornare verdi. I colori tendenti all’arancione e rosso rappresentano velocità maggiori rispetto al verde, mentre l’azzurro e il blu velocità minori.
Si vede bene quindi che la velocità sopra il profilo dell’aria è mediamente maggiore rispetto a quella sotto.
Seguendo la formula qui sopra e trascurando il terzo termine (+ρgh), si nota un fenomeno particolare. Con la velocità media (u) che aumenta sopra il profilo, affinché l’equazione rimanga costante, il primo termine (p) ossia la pressione dovrà calare. Quindi essendoci una pressione sotto maggiore rispetto che sopra il profilo, si genera una spinta verso l’alto, la portanza
Ovviamente, a causa dell’attrito e dell’ingombro del profilo si creerà una forza opposta al moto, la resistenza. La combinazione di portanza e resistenza definisce la forza aerodinamica.
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Lavoro con la plastica, appassionato di aerodinamica e stampo in 3D.
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