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8  Il bilancio dei momenti sull’asse di imbardata

In aircraft (unlike cars, bikes, or sailboats) you have separate control over which way it is pointing relative to which way it is going .

Negli aerei (diversamente da auto, bici o barche) c’è un controllo separato su dove punta, rispetto alla direzione del moto.

8.1   Introduzione

Questo capitolo affronta il moto dell’aeroplano attorno all’asse di imbardata (nota 1). Le definizioni convenzionali dei tre assi principali sono mostrate nella figura 19.9, nella sezione 19.6.1. Per una discussione sulla terminologia e sui principi generali di forze e momenti, si può fare riferimento alla sezione 19.7. (Il moto relativo agli altri assi è affrontato nei capitoli che seguono).

Per una definizione precisa di angolo di imbardata, rotta, angolo di scivolata , si prega di consultare la sezione 19.6.3

È importante mantenere minimo l’ angolo di scivolata , ovvero assicurarsi che l’aereo stia puntando nella stessa direzione in cui si sposta , nell’aria. È importante per diverse ragioni:

• Efficienza: se vuoi virare a sinistra non ha senso lasciare che la manovra inizi con una grande e inopportuna imbardata a destra. Inoltre, tutto quello scivolamento provoca molta resistenza inutile.
• Comfort: i passeggeri detestano essere sbatacchiati da una parte all’altra. In molti aerei da addestramento, il pilota siede talmente vicino al fulcro (il centro di massa) che non si rende conto dell’effetto che l’imbardata può avere, dalla sua posizione.
• Sicurezza: mentre se stalli in volo coordinato il muso semplicemente picchia dritto, se provi a stallare in volo sufficientemente scoordinato, andrai in vite (vedi cap. 18) o in un brusco rollio , da cui è molto più difficile recuperare.

Mantenere un angolo di imbardata nullo richiede un uso coordinato di alettoni e timone, così che i piloti parlano di “angolo di scivolata nullo” o “buona coordinazione” in maniera quasi equivalente.

Questa sezione considera uno per uno i vari fenomeni che influiscono sul moto dell’aeroplano attorno all’asse di imbardata. Il numero di questi fenomeni è sorprendentemente alto, comprendendo il flusso d’aria provocato dall’elica , l’inerzia sull’asse di imbardata, l’imbardata inversa, il fattore P e la precessione giroscopica, più la stabilità e lo smorzamento creati

8.2    Stabilità nell’imbardata

Non sempre un aeroplano punta nella stessa direzione in cui si sta muovendo . Per molti questo è un concetto nuovo, dal momento che per oggetti normali, come automobili, biciclette e barche, la direzione in cui puntano è sempre più o meno la stessa in cui si muovono, e certamente non hanno controlli separati nelle due direzioni.

Come esempio al limite del nuovo concetto, prendiamo un Frisbee e disegniamoci sopra un aeroplano. Quando si lancia il Frisbee la figura dell’aereo girerà continuamente. La direzione verso cui punta non ha nulla a che vedere con la direzione in cui si sta muovendo.

In una barca o in un aereo puoi cambiare rotta con il timone. Nell’aereo (diversamente dalla barca) le forze laterali risultanti sono troppo scarse per essere di aiuto nel cambiare la direzione del moto (ma vedi sezione 8.10).

Per cambiare la direzione del volo di un Frisbee o di un aeroplano, il modo giusto è inclinarlo e sollevarlo attorno alla virata.

Diversamente da Frisbee, un aeroplano non è libero di girare completamente attorno all’asse di imbardata. Se l’angolo di scivolata (i.e. la differenza tra la direzione in cui sta puntando e la direzione del moto) diventa più di qualche grado, le prestazioni sono compromesse. La deriva è progettata per evitare che l’angolo di scivolamento diventi eccessivo.

La Figura 8.1 mostra una situazione in cui la direzione dell’aereo è stata disturbata dal suo normale allineamento con il flusso dell’aria. Ci sono molti modi in cui ciò può accadere, compresa una raffica di vento, un breve scoordinamento dei controlli, eccetera.

Figure 8.1 : la risposta ad un angolo di imbardata

In questa situazione, il vento relativo è incidente il piano di deriva ed il timone secondo un certo angolo. Come qualsiasi altro profilo alare, la combinazione deriva/timone produce portanza in funzione dell’angolo di attacco, di modo che produrrà una forza (e quindi un momento torcente) che tende a riallineare l’aereo con il vento. Diremo che l’aeroplano ha una buona stabilità sull’asse verticale.

In linguaggio colloquiale, la stabilità sull’asse verticale è detta anche `` tendenza a fare la banderuola ”. Ovvero, l’aereo tende ad allinearsi al vento relativo, proprio come fa una banderuola. Nella sezione 8.11 si tratterà della tendenza a fare banderuola durante il rullaggio.

8.3    Smorzare l’imbardata

Il semplice moto di imbardata viene contrastato ragionevolmente bene. Il processo è analogo a quello che riduce il moto di beccheggio ed il rollio (vedi cap. 5). Quando la coda si sposta a destra ad una velocità apprezzabile, trova un vento relativo proveniente dal davanti e a destra. L’angolo di attacco risultante produce una forza verso sinistra che corregge il moto verso destra.

Una forza verso sinistra, proporzionata alla velocità verso destra è esattamente ciò che contrasta l’imbardata.

8.4    Helical Propwash

Nota del traduttore: con helical propwash ho inteso il flusso d’aria in moto elicoidale provocato dal movimento dell’elica. Non avendo trovato una espressione italiana sufficientemente sintetica, ho spesso ritenuto di lasciare nel testo il termine inglese. Inoltre, ho ritenuto di tradurre il termine twisted lift con “portanza girata”. Ogni suggerimento migliorativo è il benvenuto.

Una delle primissime cose che la gente nota quando inizia ad imparare a volare è che ci vuole timone destro (nota 2) (a volte molto timone destro) per fare in modo che l’aereo vada dritto, all’inizio della corsa di decollo. La fisica della situazione è illustrata in figura 8.2 (nota 3).

Figura 8.2 : Momento imbardante dell’elica

Sarebbe bello se l’elica si limitasse a prendere l’aria e buttarla indietro, ma non è così. Il profilo delle pale dell’elica ha necessariamente un po’ di resistenza, per cui trascina un poco l’aria nella direzione di rotazione. Quindi il flusso dell’elica segue una traiettoria elicoidale (destrorsa), ruotando mentre passa lungo l’aereo.

C’è poi da notare che praticamente in tutti gli aeroplani la coda ed il timone si sviluppano verso l’altro, non verso il basso, sporgendo sopra la linea mediana del flusso di aria mossa dall’elica. Ciò significa che l’helical propwash colpirà la parte sinistra della coda, spingendola a destra, obbligando il muso ad andare a sinistra, il che a sua volta significa che servirà timone destro per compensare.

In crociera gli effetti del momento imbardante dell’elica non si notano, perché i progettisti dell’aereo hanno previsto la situazione. La coda ed il timone sono stati installati con un piccolo angolo rispetto all’asse, in modo tale da essere allineati con il flusso d’aria effettivo, non con l’asse dell’aereo.

In una situazione di alta velocità e bassa potenza (come in una discesa al minimo) la compensazione prevista agisce più del necessario, per cui sarà necessario applicare timone sinistro (o trimmare a sinistra) per eliminare gli effetti di tale compensazione e tenere la coda allineata con il flusso d’aria effettivo.

Al contrario, in una situazione di alta potenza erogata e bassa velocità, (come nelle fasi iniziali del decollo, o volo lento) l’elicoide di aria è particolarmente stretto, per cui sarà necessario applicare timone destro.

>Helical propwash sometimes contributes to left/right asymmetry in multi-engine aircraft, as discussed in section 17.2.12 .

Il momento imbardante dell’elica a volte contribuisce ad una asimmetria destra/sinistra in aerei multi motore, come discusso nella sezione 17.2.12.

8.5    Fattore P

Il termine Fattore P è usato per indicare un “carico asimmetrico del disco”. È un effetto estremamente significativo negli elicotteri. Quando un elicottero vola in avanti, la pala di un lato ha una velocità molto maggiore della pala dall’altro. Se si facessero girare le pale con un angolo di attacco costante, la pala che si muove in avanti produrrebbe una portanza leggermente superiore di quella che si muove indietro.

8.5.1    Velocità della pala

Per gli aeroplani, può verificarsi lo stesso effetto, sebbene sia generalmente poco evidente. Affinché si verifichi l’effetto, ci deve essere un angolo tra l’asse dell’elica ed il vento relativo. Per l’esattezza, immagina l’aereo in assetto cabrato, ma con direzione del moto orizzontale (i.e. il vento relativo è orizzontale). Allora la pala che scende si muoverà ad una velocità verso il basso e un poco in avanti, mentre la pala che sale si muoverà verso l’alto ed un poco indietro. La pala che scende avrà una velocità relativa leggermente superiore. Finché la pala si trova nel lato destro dell’aereo (assumendo sempre un tipico motore americano) tenderà a provocare un momento torcente verso sinistra sull’aeroplano, ed avrai bisogno di compensare con pedale destro.

Figure 8.3 : P-Factor

Questa situazione è illustrata in figura 8.3. L’aereo è in volo livellato, con un assetto cabrato di 10 gradi. Il moto dell’elica nell’aria è disegnato in magenta. È la risultante del moto rotatorio (mostrato in verde) più il moto in avanti dell’intero aeroplano (mostrato in rosso). Il moto della pala che scende è disegnato con una linea continua, mentre il moto della pala che sale è disegnato con una linea tratteggiata. Si può vedere che la velocità della pala che scende è maggiore della velocità della pala che sale.

Questo è il principale contributo del Fattore P: la pala che avanza incontra più vento relativo, mentre quella che scende ne incontra meno.

8.5.2    Angolo della pala

C’è una diffusa idea errata che il fattore P sorga per il fatto che nell’elica l’angolo della pala destra (che scende) è maggiore dell’angolo della pala sinistra (che sale). Molti testi richiamano erroneamente l’attenzione sull’angolo tra la pala rispetto al terreno. Alla pala non interessa niente del terreno; l’unica cosa che conta è l’angolo di attacco, ovvero l’angolo tra la pala ed il suo moto rispetto all’aria.

L’analisi corretta è illustrata in fig. 8.4. Come riferimento, il riquadro a sinistra mostra l’assetto in normale volo livellato, dove non c’è alcun fattore P. Mentre la parte di destra mostra un aeroplano in assetto cabrato a 10 gradi (ancora in volo livellato). Volendo discutere l’angolo di attacco, abbiamo aggiunto una freccia di riferimento per ciascuna pala, proprio come la linea di riferimento usata nella sezione 2.2. L’angolo di attacco della pala dell’elica è l’angolo tra la linea di riferimento e il moto della pala nell’aria (nota 4).

Figura 8.4 : Fattore P e angolo di attacco

Quando il disco dell’elica è inclinato verso la direzione del volo (così che il fattore P ha effettivamente luogo) la pala che scende ha un angolo di attacco leggermente maggiore (rispetto alla pala che sale) come mostrato in figura 8.4. Ciò succede perché il vettore che rappresenta il moto dell’aeroplano ha una “migliore leva” quando incontra la risultante, poiché la risultante è più corta e perché è più perpendicolare al moto dell’aeroplano.

Questo effetto angolo-di-attacco è naturalmente nullo quando l’asse dell’elica è allineato con la direzione del volo (nota 5). L’effetto non è mai molto evidente, perché:

1.      A bassa velocità, la velocità in avanti dell’aereo (come rappresentata dalla freccia rossa orizzontale in figura 8.4) è così bassa che non può avere grande effetto su alcunché.

2. Ad alte velocità, l’aereo ha un basso angolo di attacco, così che l’angolo tra il disco dell’elica ed il vento relativo è necessariamente piccolo (escluso per gli elicotteri, tilt-rotor , e simili).

3. A velocità molto alte, quando stai andando abbastanza veloce da superare il passo geometrico dell’elica, (così che la risultante coincide con la linea di riferimento in figura 8.4), penseresti che una piccola differenza nell’angolo di attacco darebbe un effetto 100 %. Probabilmente è vero, ma in questo caso la spinta totale è praticamente zero, e il 100% di zero è zero.

Questo effetto angolo-di–attacco è in aggiunta al (e normalmente minore del) effetto dovuto alla velocità relativa , discusso sopra. Entrambi sono piccoli rispetto al helical propwash.

Ricorda, non ha importanza se la pala che scende ha un maggiore angolo con la verticale di quanto ne abbia la pala che sale. Alla pala non interessa dove sta il sopra e dove il sotto: ha importanza solamente da dove viene il vento relativo. Immagina un aeroplano biciclo fermo a terra, in un giorno senza vento. Puoi inclinare il disco dell’elica quanto vuoi relativamente alla verticale, ma non ci sarà alcun fattore P a meno che il vento non cominci a soffiare sull’elica con un certo angolo.

8.5.3    Rotazione iniziale di decollo

Ci sono molti miti, attorno al fattore P. Per qualche ragione, al fattore P viene imputato il fatto che un normale aereo richiede timone destro all’inizio della rotazione di decollo. Ciò è impossibile per diverse ragioni.

· Quasi tutti oggi imparano a volare su aerei con carrello triciclo, il che significa che il disco dell’elica è verticale durante l’inizio della rotazione di decollo. Non essendoci alcun angolo tra il vento relativo e l’asse dell’elica, ovviamente il fattore P non può manifestarsi.

• Supponiamo ora, giusto per approfondire l’argomento , di volare su un aereo biciclo, in cui il disco dell’elica è effettivamente non verticale, durante la rotazione iniziale di decollo. L’esperienza comune insegna che la maggior parte del timone destro è richiesta nei primi metri del decollo, prima di raggiungere velocità elevate. Il Flight Training Handbook dice che ciò è perché il fattore P è peggiore a basse velocità. Ma aspetta un momento: il vero fattore P è proporzionale alla velocità. Nei momenti iniziali della corsa di decollo non c’è vento relativo, per cui non può esserci alcun fattore P. Naturalmente, se stai decollando con un forte vento a prua, potrebbe esserci un pochino di fattore P, ma significa forse che se decolli con un leggero vento in coda ci sarà un fattore P di segno negativo, che richieda timone sinistro? Non ci scommetterei.

La vera ragione per cui in decollo è necessario dare timone destro è il flusso d’aria elicoidale provocato dall’elica, come discusso nella sezione 8.4. Il fattore P esiste, in alcune circostanze, ma non è sufficiente a spiegare il fenomeno riscontrato nella corsa di decollo.

8.5.4 Osservare il Fattore P

Non è facile osservare il fattore P. È difficile separare il fattore P dagli altri contributi all’imbardata, come il momento imbardante dell’elica (sezione 8.4) e la portanza girata (sezione 8.8.4).

Un importante esperimento preliminare è osservare cosa accade durante il decollo in un aereo multi motore. (Più specificamente, consideriamo il caso in cui le eliche ruotano in senso orario, viste d dietro). In alcuni aerei il flusso d’aria dall’elica colpisce la coda e bisogna dare timone destro per compensare, proprio come negli aeroplani mono motore.

In altri aerei, la maggior parte del flusso d’aria dall’elica manca la coda, nel volo normale. Ciò non provoca problemi e non serve alcuna compensazione. Si può vedere la sezione 17.2.12 per dettagli su ciò. Questo è un ottimo modo per illustrare che non c’è fattore P quando il disco dell’elica non è inclinato.

Se si vuole veramente osservare un fattore P non nullo si può procedere come segue: si prende un aereo bimotore (o quadrimotore) con eliche non contro rotanti. Ci si attacca un striscia. Ci si mette in volo di crociera coordinato, con la stessa quantità di potenza su entrambi i motori. Si controlla che palla e striscia siano centrati. Solleva la cloche in una cabrata senza virata, a velocità molto bassa (ovvero grande angolo di attacco), mantenendo la potenza di crociera. Si mantiene volo coordinato come indicato dalla striscia. Si osserva la tendenza al rollio dovuta al trascinamento dell’elica. Spostare eventualmente del carico (ad esempio carburante) da sinistra a destra per sistemare la tendenza al rollio, in modo da poter volare dritto senza usare gli alettoni, ovvero senza incorrere in alcuna portanza girata .

Si osserverà che la pallina dell’inclinometro sarà leggermente decentrata. Ciò può essere attribuito al fattore P. Per essere esplicito:

·         Ciascun motore produce la stessa quantità di spinta.

·         Ma ne risulta una spinta asimmetrica, poiché l’applicazione del vettore spinta è spostata (a causa del carico asimmetrico del disco).

·         Abbiamo avuto problemi a minimizzare gli altri contributi, come la portanza girata. Notare inoltre che se ci fosse stato anche del flusso d’aria dell’elica a colpire la coda, questa non sarebbe stata una spiegazione valida per l’inclinometro fuori centratura. Dovrebbe essere possibile poter compensare il flusso d’aria dell’elica usando il solo timone , senza inclinazione.

Per riassumere: abbiamo una potenza simmetrica, ma una spinta asimmetrica. Un’analisi dettagliata degli effetti della spinta asimmetrica possono essere trovati nella sezione 17.2.5.

L’effetto del fattore P non è molto forte. Puoi facilmente compensarlo usando un po’ di pedale e cloche a destra. In effetti, in situazioni normali puoi proprio ignorarlo completamente.

Non puoi mai usare la deviazione del pedale come indicazione del fattore P, perché qualsiasi situazione che evidenzia fattore P evidenzierà anche un forte momento imbardante dell’elica.

La versione per mono motore di questo esperimento funziona più o meno così: si mette una striscia su ciascuna ala, abbastanza lontana da non essere ragionevolmente disturbata dal flusso d’aria prodotto dall’elica , ma abbastanza vicina da poterla vedere. Negli aerei ad ala alta, si metterà la striscia sulla parte inferiore dell’ala. Mettere le strisce da entrambi i lati in posizioni simmetriche, in modo da poter essere certi di quale posizione della striscia corrisponde al flusso d’aria relativo. Verificare quindi che in volo rettilineo di crociera si abbia un flusso d’aria simmetrico (come indicato dalle strisce) e inclinazione nulla (come indicato dalla pallina dell’inclinometro). Infine, ci si mette nella situazione in cui si verifica il massimo fattore P: flap retratti, minima velocità anemometria e piena potenza.

Ancora, l’indicazione del fattore P in questa situazione dovrebbe essere quella di avere la pallina fuori centro, ma con le strisce centrate. Ho tentato questo esperimento, ma il fattore P era troppo scarso per essere osservato.

Ecco un altro possibile esperimento. Prendi il tuo aereo acrobatico preferito e dipingi il pedale di tribordo di verde, ed il pedale di babordo di rosso, giusto per poter essere sicuri. Ora vola a quota di sicurezza e configura per un volo lento invertito. In questa situazione con alta potenza e bassa velocità devi dare pedale di tribordo (verde) o pedale di babordo (rosso)? Se il fattore P è prevalente, la risposta sarà babordo, perché questa è ora la pala discendente ed avanzante. Se invece il flusso d’aria dell’elica è prevalente, la risposta sarà tribordo, perché la relazione tra elica, timone e pedali non è mutata, nel volo rovescio.

  8.6  Precessione Giroscopica

Un oggetto rotante risponderà ad una coppia su un asse con un moto attorno ad un altro asse. Questo fenomeno notevole ed poco intuitivo – precessione giroscopica – è discussa con maggiore dettaglio nella sezione 19.9.

La precessione giroscopica è spesso piuttosto evidente nel momento in cui un aereo biciclo alza la coda, all’inizio del decollo (nota 6). Se l’aeroplano fosse un normale oggetto non rotante, si alzerebbe la coda usando i soli equilibratori. Gli equilibratori non imprimono moto alla fusoliera; semplicemente producono una forza e una coppia attorno all’asse di beccheggio . Per un giroscopio, una coppia attorno all’asse di beccheggio produce un moto attorno all’asse di imbardata. Se si tenta di alzare la coda di un aeroplano vero usando i soli flipper, si provocherà un’imbardata a sinistra, a causa della precessione.

Per ottenere che un giroscopio inizi a muoversi effettivamente attorno all’asse di beccheggio , bisogna applicare una coppia sull’asse di imbardata.   Questo è il motivo per cui esistono deriva e timone. Vedi sezione 19.9.

Naturalmente, un aereo ha della massa, oltre alle proprietà giroscopiche. Per sollevare questa massa bisogna usare gli equilibratori.   Quindi, il sollevamento della coda, in decollo, richiede sia equilibratori che timoni – gli equilibratori per cambiare l’assetto della massa, il timone per cambiare l’assetto del giroscopio.

8.7    Motore disassato

Spesso il motore viene montato in modo tale che la direzione del vettore spinta è leggermente da una parte rispetto all’asse dell’aereo.   Questo è fatto per compensare varie amenità come il flusso d’aria elicoidale dell’elica. Esso contribuisce al bilancio dei momenti sull’asse di imbardata, in modo ovvio.

8.8    Uso del timone durante il decollo

Far virare un aeroplano in maniera corretta richiede l’uso coordinato di alettoni e timone. Farlo nella maniera giusta richiede un minimo di capacità.

Bisogna ricordarsi che in un aereo la direzione del moto non è necessariamente la direzione verso cui si punta. Diverse cose cruciali possono accadere durante una virata:

1) Usi le ali per cambiare la direzione verso cui sta andando il centro di massa. La chiamerò virata CM .

2a) Usi i pedali per cambiare la prua (i.e. per superare l’inerzia sull’asse di imbardata, i.e. per fornire accelerazione sull’asse di imbardata).

2b) Usi i pedali per superare un’imbardata inversa costante dovuta alla portanza girata , come discusso nel seguito.

2c) Usi i pedali per superare un’imbardata inversa temporanea, dovuta a resistenza differenziale .

Il punto 1 è relativamente semplice: metti l’aereo in bank . La componente orizzontale della portanza cambierà la direzione del moto.

Il punto 2a è importante perché se l’aereo non avesse coda verticale, il banking provocherebbe solamente uno scivolamento nella nuova direzione, senza cambiare la rotta. È molto meglio imbardare l’aereo per allineare il suo asse con la nuova direzione del moto, così si applica pedale, creando quindi un tasso di imbardata che si abbina al tasso di virata-CM (nota 7).

Veniamo ora al punto 2b. Dobbiamo considerare l’imbardata inversa. Come discusso nella sezione 8.8.4, durante una rotazione costante le forze aerodinamiche prodotte dalle due ali sono di pari intensità, ma un vettore forza è leggermente girato in avanti, mentre l’altro è leggermente girato indietro. Ciò provoca un momento imbardante nella direzione sbagliata: se stai ruotando a destra, tende a far ruotare l’aeroplano a sinistra. Per compensare, bisogna deflettere il timone, ogni volta vengono usati gli alettoni.

Infine, arriviamo al punto 2c. Supponiamo di volare su un aereo in cui abbiamo molta massa sulle ali. Ogni volta che iniziamo o finiamo una manovra di rotazione dobbiamo accelerare un’ala verso l’alto e l’altra verso il basso. Come discusso in sezione 8.8.3, ciò richiede una portanza extra su un’ala ed una inferiore sull’altra ala. Questa portanza asimmetrica, produce un resistenza indotta asimmetrica. Questa resistenza provoca ulteriore imbardata inversa.

Per ogni dato tasso di rotazione, dobbiamo usare più timone a basse velocità, per le ragioni discusse nella sezione 8.8.6.

Le procedure per mantenere il coordinamento durante la virata sono sintetizzate nella sezione 8.8.7; le sezioni a venire descrivono con un po’ più di dettaglio quale sia il problema che stiamo tentando di risolvere.

8.8.1    Analisi di un rollio

Per rendere la discussione più concreta, consideriamo la rotazione che inizia da un volo rettilineo livellato e ruota a destra. Come possiamo vedere dalla figura 8.5, ci sono più istanti da considerare, nel problema.

Figure 8.5 : Momenti della manovra di rotazione

·   [t0, t1] il tempo necessario a muovere gli alettoni

• [t1, t2] tempo necessario al rateo di rotazione per raggiungere il valore richiesto da questa deflessione degli alettoni;
• [t2, t3] tempo richiesto al rateo di imbardata per raggiungere il valore corrispondente a questo rateo di vitata-CM;
• [t3, t4] tempo in cui vengono tenuti deflessi gli alettoni.

Analizziamo cosa accade quando si muovono gli alettoni in modo brusco. Sebbene raccomando generalmente di volare in modo morbido e gentile, (1) ci sono casi in cui si vuole ruotare l’aereo in breve tempo, per cui impariamo come farlo; e (2) il caso brusco rende più facile comprendere cosa succede (nota 8).

In alcuni aerei, come il Piper Cub, il tasso di rollio raggiunge il suo valore finale molto rapidamente (in una piccola frazione di secondo), poiché l’inerzia sull’asse di rollio è molto piccola. Praticamente tutta la massa (pilota, passeggero, carburante e motore) è disposta lungo l’asse, per cui non contribuiscono molto al momento di inerzia. In altri aerei, come il Cessna 310, il rateo di rollio risponde molto più lentamente, perché molta massa (motori e serbatoi alari) si trovano lontano dall’asse di rollio.

Prima che il tasso di rollio si stabilizzi, (i.e. nel periodo [t1, t2]) l’aereo sarà sottoposto ad un’imbardata inversa temporanea, dovuta alla resistenza differenziale indotta. Il muso sbanderà leggermente verso l’esterno della virata. L’effetto è di norma scarso, visto che:

1. queste forze di resistenza differenziale sono tipicamente piccole (nel volo lento) o piccolissime (durante la crociera), se comparate alle forze di portanza differenziale che causano il rollio, e
2. queste forze agiscono contro l’inerzia dell’asse di imbardata, che è almeno pari all’inerzia sull’asse di rollio.

La parte rimanente di questa discussione prescinde da quanto bruscamente o lentamente gli alettoni vengono mossi.

All’istante t2, abbiamo un tasso di rollio costante. Anche se gli alettoni sono deflessi, non c’è differenza di portanza tra un’ala e l’altra, per ragioni discusse nella sezione 8.8.4. Non essendoci differenza di portanza, non ci sarà differenza nella portanza indotta, e quindi nessuna imbardata inversa temporanea.

Comunque, un’estremità alare sta scendendo, per cui la sua forza è spostata leggermente in avanti. L’altra estremità si sta alzando, per cui il suo vettore forza è spostato leggermente indietro. Anche se ogni forza ha praticamente la stessa grandezza come nel volo di senza rollio, la coppia provoca una leggera componente proprio nel giusto senso per produrre un costante momento di imbardata inversa.

In più, poiché l’aereo ha avuto un rollio, si è avuta un’inclinazione. Ciò provoca una virata-CM. L’aereo sta cambiando direzione del suo moto. Volendo tenere la stessa direzione di puntamento , è necessario dare timone, come discusso nella sezione 8.8.5.

All’istante t6, gli alettoni sono tornati neutri, ma il movimento di rollio non si è ancora fermato. (Ancora, si tratta di un ritardo dovuto all’inerzia sull’asse di rollio). A questo punto, accadono diverse cose:

1. C’è una diversa portanza tra le due ali, necessaria per smorzare il rollio. Questo crea un’imbardata inversa transitoria di segno negativo. Richiede un contributo con il pedale sinistro per compensare.

2. Comunque, l’aereo sta ancora ruotando, ed un tasso in crescita costante di imbardata è necessario per coordinare l’aereo, con il tasso crescente di virata-CM. Ciò richiede il contributo del pedale destro.

3. Analogamente, poiché l’aeroplano sta ruotando, la portanza girata richiede un contributo di pedale destro.

In pratica, il primo fattore (imbardata inversa transitoria) offre un contributo normalmente minore degli altri due.

Analoga discorso vale se si inizia da una virata sinistra e si usa alettone destro e timone destro per uscire dalla virata.   In maniera simile, è facile fare un’analoga analisi per il rollio in una virata sinistra e/o il rollio in uscita da una virata destra..

 

8.8.2    Trucchi da progettista

Immaginiamo un aereo senza deriva . Si comporterebbe più come un Frisbee che come una barca – se gli si desse una rotazione sull’asse di imbardata, l’inerzia lo farebbe continuare a ruotare finché qualche coppia non intervenisse a fermarlo. Anche se non stesse ruotando, non ci sarebbe nessun motivo per aspettarsi che l’angolo di imbardata sia in alcun modo vicino all’angolo desiderato.

In un aeroplano vero, naturalmente, la deriva ed il timone forniscono le forze necessarie per tenere sotto controllo l’angolo ed il tasso di imbardata. Un’idea su come usare il timone in virata è data nella sezione 8.8.

I produttori di aeroplani sanno quanto le virate sono influenzate dalla portanza girata e dall’inerzia sull’asse di imbardata. In genere tentano di fornire automaticamente la necessaria coppia sull’asse di imbardata, usando vari stratagemmi. Uno è interconnettere il timone e gli alettoni con una molla. Significa ottenere automaticamente una certa quantità di timone, in proporzione allo spostamento degli alettoni. Scelgono il fattore di proporzionalità in modo che si possa volare “con i piedi per terra” a velocità di crociera. Ovviamente, a basse velocità occorre molto più timone; fortunatamente si può facilmente potenziare l’azione della molla di interconnessione premendo sui pedali in ovvia maniera.

Ecco un altro trucco che si può notare su alcuni aeroplani: quando un alettone scende un poco, l’altro sale molto (viene chiamata deflessione differenziale degli alettoni ). I progettisti hanno tentato di sfruttare l’alettone deflesso in alto per generare molta resistenza parassita .   Se fatto bene, la forza resistente è abbastanza da superare la portanza girata e l’inerzia sull’asse di imbardata durante una virata costante.   Il così detto   Alettone Frise usa un espediente simile. Ha un bordo sul fondo, davanti al cardine.   Il bordo picchia nell’aria , quando la parte principale dell’alettone è piegata in su. Ancora, lo scopo del bordo è generare resistenza sull’ala con l’alettone piegato in alto.

Oltre a superare l’inerzia sull’asse di imbardata, (durante un rollio costante) il progettista vuole anche superare l’imbardata inversa temporanea   (quando gli alettoni sono piegati ma il rollio non è ancora iniziato). Fortunatamente, l’imbardata inversa temporanea è piuttosto scarsa, e si può ottenere un ottimo annullamento regolando la quantità di deflessione differenziale, e la quantità di effetto Frise.

La notizia brutta è che la compensazione funziona ad una sola velocità relativa.   Il progettista la stabilisce in modo tale che si possa volare con i piedi per terra durante la crociera. È un vantaggio a metà, perché ti può cullare nel compiacimento; a bassa velocità, dove è più importante, è ancora necessario usare moto timone, per tenere la situazione coordinata.   Non bisogna dimenticarlo!

8.8.3    Imbardata Inversa Temporanea

Supponiamo di voler rollare in una virata a destra.   Si piegheranno gli alettoni verso destra, come mostrato in Figura 8.6. Nel breve tempo che intercorre tra il movimento degli alettoni e un rollio costante, la portanza generata dall’ala sinistra aumenterà, mentre la portanza generata dall’ala destra diminuirà. Purtroppo, non c’è modo di produrre portanza senza produrre resistenza, per cui l’ala sinistra sarà trascinata indietro, mentre l’ala destra balzerà in avanti. Questo è l’esatto opposto di ciò che volevamo;   l’aereo imbarda a sinistra, anche se volevamo virare a destra. Un buon pilota anticipa questo fenomeno, per cui bisognerà applicare timone destro, contemporaneamente all’alettone, per assicurarsi che il muso dell’aereo giri nel verso giusto.

Figure 8.6 : Imbardata Inversa Temporanea

Anche se non si gestisce perfettamente il pedale, il muso girerà e punterà più o meno nel verso giusto, a causa dell’intrinseca stabilità dell’aereo, sull’asse di imbardata (come discusso nella sezione 8.2).

Una volta acquisito un tasso di rollio costante (nessuna accelerazione sull’asse di rollio), le due ali produrranno la stessa quantità di portanza, per cui questo tipo di imbardata inversa non si manifesterà (nota 9).

Consideriamo ora cosa succede quando si vuole avviare un rollio per uscire da una virata. L’aereo è inclinato a destra, e sta virando a destra. Bisognerà deflettere gli alettoni a sinistra. Ciò provocherà una maggiore resistenza a destra ed una minore resistenza sull’ala sinistra. L’aereo imbarderà a destra, continuando ed aumentando la virata che si stava tentando di concludere. Per anticipare questo fenomeno, si applicherà timone sinistro, assieme agli alettoni.

8.8.4    Imbardata Inversa Costante – P ortanza girata

Consideriamo ora cosa accade durante una rotazione a rateo costante.   Come illustrato in figura 8.7, l’aereo nel suo complesso si sta muovendo in avanti, ma la semi ala di sinistra si sta muovendo in avanti ed in alto, mentre la semiala destra si sta muovendo avanti ed in basso (per via del moto di rollio).

Figure 8.7 : Imbardata inversa costante – portanza girata

Vediamo quale sarà l’angolo locale di attacco all’estremità alare. Usiamo la vecchia formula

                                                                       Angolo di attacco + angolo di salita = assetto + incidenza          ( 8.1 )

Nella figura, l’estremità alare destra ha un angolo di salita negativo, visto che sta andando avanti e verso il basso.   Ma l’alettone deflesso gli conferisce una minore incidenza, ruotando di fatto quella sezione del profilo alare verso il basso. Allo stesso modo, l’estremità alare sinistra ha un angolo di salita positivo (dovuto al movimento di rollio) ed una maggiore incidenza (dovuta all’alettone).

In un rollio costante, le incidenze cancellano gli angoli di salita, per cui le estremità alari sinistra e destra finiscono per volare con lo stesso angolo di attacco. Se non si annullassero reciprocamente, non si potrebbe avere un rollio costante .

L’annullamento significa che non c’è coppia attorno all’asse di rollio, ma per l’asse di imbardata è tutta un’altra storia. Come si può vedere in figura, il vettore forza dell’ala in discesa è deviato in avanti, mentre il vettore dell’ala che sale è deviato indietro. Questa coppia di componenti crea una torsione attorno all’asse di imbardata. Bisogna usare il timone per compensare.

C’è chi sostiene che queste componenti dovrebbero essere chiamate delle forze di resistenza , visto che sono dirette avanti ed indietro, nella stessa direzione come il vento relativo nel suo complesso. Tuttavia, è molto meglio vederle come componenti della portanza locale, visto che la portanza girata rimane perpendicolare al vento relativo locale . L’argomento più forte è il seguente: una forza resistente dovrebbe dissipare energia in proporzione al prodotto forza x velocità del vento relativo, ma è chiaro che le forze della portanza girata non dissipano energia. (nota 10)

8.8.5    L’inerzia sull’asse di imbardata

(in questa sezione assumiamo di volare ad una velocità indicata talmente bassa che gli accorgimenti dei progettisti discussi nella sezione 8.8.2 non sono sufficienti a produrre automaticamente virate coordinate).

Ogni volta che l’aereo è inclinato, farà una virata-CM. Una pura virata-CM, comunque, non è quello che vogliamo.   Una pura virata-CM significa che anche se l’aereo si sta muovendo in una nuova direzione, la rotta non è cambiata. L’aereo ha un angolo di scivolata non nullo.   Il flusso di aria scoordinata che incide sulla coda alla fine provocherà un moto di imbardata concorde alla virata CM, facendola passare da pura virata-CM ad una virata più o meno coordinata (nota 11). Se lo smorzamento sull’asse di imbardata è scarso, come normalmente è, il muso dell’aereo sbatterà avanti e indietro più volte, tentando di inserirsi nella la virata CM.

Per qualsiasi virata-CM, una volta assestato il tasso di imbardata, non è richiesto ulteriore coppia sull’asse di imbardata. Come una trottola, una volta che l’aereo inizia a ruotare attorno all’asse di imbardata, sarà felice di continuare a ruotare (nota 12). L’unico momento in cui è necessaria una coppia sull’asse di imbardata è al cambiare del tasso.

Per cui, durante un rollio costante si può notare che:

·         Gli alettoni sono deflessi

·         L’angolo di inclinazione va aumentando e, in corrispondenza, il tasso di virata-CM aumenta

·         Per rimanere adeguata al tasso di virata-CM, il tasso di imbardata deve aumentare

·         Per aumentare il tasso di imbardata, il timone deve essere attivato.

 

Conclusione: va usato il timone ogni volta che si usano gli alettoni.

8.8.6    Quantità di timone necessaria

Come abbiamo visto, ci sono tre ragioni per cui è necessario applicare timone, durante la manovra di rollio: l’inerzia dell’asse di imbardata, la resistenza differenziale indotta, la portanza girata .

La quantità di uso del timone dipende dalla forma dell’aeroplano, come pure dalla velocità relativa.

*    Portanza girata

Esempio 1: consideriamo un aeroplano con ali lunghe e con la maggior parte della massa concentrata lungo l’asse longitudinale dell’aereo. Un tipico aliante è un esempio eccellente, ma qualsiasi aereo di forma normale va bene. In questo caso ci sarà una piccolissima inerzia sull’asse di rollio, e conseguentemente una piccolissima imbardata inversa temporanea. Ci sarà anche un’inerzia sull’asse di imbardata piuttosto piccola. Quindi, in un simile aereo l’effetto dominante sarà un’imbardata inversa costante, dovuta alla portanza girata .

Esempio 2: supponiamo di volare in un qualsiasi aeroplano in una soleggiata giornata estiva. Incontriamo una situazione in cui l’ala destra è sos pinta in alto , mentre l’ala sinistra è so spinta in basso . Si defletteranno gli alettoni, per mantenere un’inclinazione nulla, nessun tasso di rollio, e rotta costante. Questa combinazione di vento relativo non orizzontale, e alettoni deflessi genera una portanza girata , la stessa mostrata in figura 8.7 (escluso il fatto che in questo caso il tasso di rollio è nullo). Quindi questo è un esempio perfetto di imbardata inversa costante, e bisogna usare il timone per compensare (questa necessità di timone non potrebbe essere spiegata con la resistenza differenziale o l’inerzia dell’asse di imbardata. Questa è pura portanza girata .).

Il momento imbardante dovuto alla portanza girata è sostanzialmente indipendente dalla velocità relativa.   Dipende dall’angolo di deflessione degli alettoni. Peraltro, la forza generata dal timone dipende dal quadrato della velocità relativa. Quindi, ci vuole molto timone (per unità di deflessione di alettoni) quando la velocità relativa è bassa.

*    Resistenza differenziale indotta

Esempio 3: consideriamo un aereo con molta massa collocata lontano dall’asse di rollio. Un bimotore con pesanti motori montati in fuori sulle ali, più serbatoi alari pieni di carburante è un buon esempio. Un simile aereo avrà molta inerzia sull’asse di rollio, è quindi molta imbardata inversa transitoria. Ci si preoccupa ancora dell’inerzia sull’asse di imbardata e della portanza girata , ma oltre a questi effetti bisognerà esercitare una deflessione del timone extra , inizialmente sulla deflessione degli alettoni, prima che si instauri un moto di rollio stabile.

La quantità di timone richiesta dipende molto dalla velocità relativa dell’aria. Oltre a quanto visto sopra relativamente alla forza sul timone, la quantità di momento imbardante transitorio si incrementa quando la velocità relativa diminuisce. La chiave per capire ciò è comprendere che mentre il coefficiente di portanza è più o meno proporzionale all’angolo di attacco (per angoli di attacco moderati), il coefficiente di resistenza indotta è più o meno proporzionale al quadrato dell’angolo di attacco.

Il lato sinistro della figura 8.8 mostra la stessa situazione della figura 8.6, con in più la curva del coefficiente di resistenza.   Su questa curva ho indicato i differenti angoli di attacco per le due estremità alari, e le resistenze, diverse in modo corrispondente. È possibile vedere che il coefficiente della curva di resistenza è relativamente appiattito verso il basso, per cui con angoli di attacco relativamente piccoli (alte velocità) una differenza nell’angolo di attacco non causa grande differenza nella resistenza.

Figure 8.8 : Slow Flight Means More Transitory Adverse Yaw

Al contrario, il lato destro della figura 8.8 mostra lo stesso aeroplano in volo lento . Entrambe le ali lavorano ora ad un angolo di attacco maggiore. Poiché il coefficiente della curva di resistenza è più ripido, a questi regimi, la stessa differenza di angolo di attacco (i.e. la stessa deflessione degli alettoni) crea una maggiore differenza di resistenza (i.e. maggiore imbardata inversa in transitorio).

*    Inerzia sull’asse di imbardata

Esempio 4: consideriamo un lungo, sottile biplano mono motore, molto carico. Avendo un’apertura alare limitata, la portanza girata sarà piuttosto limitata, i.e. piuttosto scarsa imbardata inversa stabile.   Analogamente, visto che tutta la massa è concentrata sull’asse di rollio, ci sarà un’inerzia minima sull’asse di rollio, i.e. una minima imbardata inversa transitoria.   Ci sarà, comunque, molta inerzia sull’asse di imbardata.

Esempio 5: torniamo al caso in cui l’ala destra è spinta in alto, mentre l’ala sinistra è spinta verso il basso.   Questa volta, però, non pieghiamo gli alettoni; accettiamo semplicemente il rollio risultante. Durante il rollio costante, bisognerà usare il timone per fornire il momento sull’asse di imbardata che contrasti il tasso di virata CM in continua crescita. (Questa necessità di timone non potrebbe essere spiegata con portanza girata o resistenza differenziale.   Questa è pura inerzia sull’asse di imbardata. Notare anche che non c’è stratagemma da progettista che possa mantenere coordinata una simile situazione, visto che gli alettoni non sono stati usati.).

Ancora una volta, la quantità di timone richiesta aumenta sensibilmente a basse velocità. Ci sono tre contributi principali; in pratica i primi due si elidono.

1. il tasso di rollio dipende dall’angolo di deflessione degli alettoni, moltiplicato per la velocità. Questo significa che a bassa velocità il tasso di rollio è minore, il che riduce la quantità di timone richiesta.
2. la quantità di virata provocata da un dato angolo di bank aumenta a basse velocità, come discusso nella sezione 16.6.   Questo aumenta la quantità di pedale richiesta.
3. infine, come sempre, l’efficienza del timone dipende dal quadrato della velocità, aumentando la quantità di timone richiesta a basse velocità.

8.8.7    Sommario: Procedure per le Virate Coordinate

Una buona virata è composta di due ingredienti: una virata-CM ed un cambiamento di rotta. In un aereo “base” idealizzato si potrebbe usare gli alettoni per inclinare l’aereo e buttare il CM dietro l’angolo (? ndt), ed usare il timone per cambiare la rotta e contrastare l’imbardata inversa.   In un tipico aereo moderno, a velocità di crociera , il solo uso degli alettoni crea con buona approssimazione la giusta coppia su entrambi gli assi. In tutti gli aerei a basse velocità , l’uso corretto del timone è di vitale importanza.

 

La regola base è semplice:

• inclinandosi a destra bisogna dare pedale destro;
• inclinandosi a sinistra bisogna dare pedale sinistro.

 

La quantità di timone dipende in maniera inversa dalla velocità.

 

Un’altra versione della stessa regola sostituisce la parola alettone alla parola inclinazione:

• alettone destro richiede timone destro;
• alettone sinistro richiede timone sinistro.

 

Ad un rollio costante, le due versioni sono più o meno equivalenti; all’inizio ed alla fine del rollio (quando il tasso di rollio non corrisponde alla deflessione degli alettoni) la verità sta nel mezzo.

La regola precedente permette di prevedere la necessità di uso del timone. Come discusso nella sezione 11.5, ci sono molti modi per sapere se va bene:

1. per la prova del fuoco basta guardare fuori dal finestrino. Si dovrebbe percepire che il tasso di cambiamento nell’orientamento del muso è proporzionale alla quantità di inclinazione.

2. Si può anche guardare di lato, e percepire che le ali si alzano e si abbassano, non si muovono avanti o indietro, durante il rollio.

3. Si può notare che la pallina dell’inclinometro rimane centrata.

4. Ancora più informazione viene dalla posizione dei pantaloni.

 

Tra l’altro: se ci si pensa un attimo, si vede che in volo rovescio (angolo di attacco negativo) si avrà una quantità negativa di imbardata inversa – se si sposta a sinistra la cloche, si dovrà premere il pedale del timone destro, e viceversa – proprio il contrario di quanto succede in volo non rovescio. Quando ci si trova a bordo dell’aeroplano, appeso a rovescio, non sembrerebbe così complicato come pare sulla carta. Un po’ di esperienza e pratica renderanno evidente quale ala abbassare per fare una virata CM e quale pedale del timone schiacciare per cambiare rotta.

 

Come accennato all’inizio di questo capitolo, ci sono molte ragioni per usare correttamente il timone, durante le virate.   Ahimè, il processo di apprendimento è complicato dal fatto che in molti casi l’aeroplano “nasconde” piccoli errori. In particolare, ogni volta che l’aereo è in scivolata, la deriva tenterà automaticamente di riportare l’aereo ad un angolo di scivolata nullo. Si tratta della stabilità sull’asse di imbardata affrontata nella sezione 8.2. Nella maggior parte dei casi, l’aereo alla fine instaurerà comunque un tasso di cambiamento della rotta più o meno corretto. L’obiettivo di un uso corretto del timone è di instaurare un corretto movimento sull’asse di imbardata, senza scivolata, nemmeno temporanea.

 

La dipendenza dell’imbardata inversa dalla velocità relativa può dare problemi. I piloti passano gran parte del tempo ronzando in giro a velocità di crociera, dove ignorare il timone è OK, o quasi. A volte ciò porta ad abituarsi. Il problema nasce in avvicinamento e/o in partenza, quando le velocità sono molto minori. Una buona coordinazione diventa più rilevante, proprio nel momento più importante (visto che i margini di errore sono minori). Se si usano male gli alettoni a bassa velocità e bassa quota, si potrebbe provocare una vite o un rovescio improvviso , senza possibilità di recupero.

La sezione 11.5 descrive pochi utili trucchi per percepire esattamente quanto timone serve per ottenere una perfetta coordinazione.

8.9    La Scivolata a “Coda Lunga”

Vediamo ora cosa accade quando un aeroplano si trova in una virata stabilizzata. In particolare, consideriamo un aereo con una fusoliera piuttosto lunga, in volo in una virata piuttosto stretta. Come mostrato in figura 8.9, non è possibile che il flusso dell’aria sia allineato con la parte frontale   e la parte posteriore della fusoliera, nello stesso tempo. La fusoliera è dritta, mentre la traiettoria nell’aria è curva. Una linea retta non può essere tangente ad un cerchio in due punti diversi. Bisogna scegliere.

Figure 8.9 : Airplane in a Tight Turn — Rudder Neutral

Se lasciato a se stesso, l’aereo tenterà di disporre deriva e timone allineati con il flusso dell’aria. La combinazione deriva/timone è dopo tutto un profilo. I profili sono ottimi per produrre tremende forze se il vento li colpisce con un dato angolo di attacco. In più la coda si trova nella parte posteriore, dove c’è molta leva sull’asse di imbardata.

Per via dell’aria che incide sui lati della fusoliera, ed altri effetti, la deriva/timone non può determinare completamente l’angolo di scivolata, ma sarà il principale fattore determinate.   Sicuramente, il flusso d’aria sulla parte frontale della fusoliera – e sopra le ali – avrà una componente di scivolata significativo.

Ciò accadrà ogni volta che l’aereo si trova in virata (a meno di non usare il timone per compensare). Ho chiamato questo effetto Scivolata Coda Lunga . Questa scivolata suona come una brutta cosa, ma di fatto essa può rendersi utile; senza di essa, non ci sarebbe stabilità sull’asse di rollio, per le ragioni discusse nella sezione 9.3. Ricordate: una virata incauta sarà una virata scivolata.

Si può vedere dalla geometria della situazione che la quantità di scivolata coda lunga è proporzionale alla lunghezza dell’aereo, ed inversamente proporzionale al raggio di virata.   Il secondo dipende dal quadrato della velocità, come pure dall’angolo di bank.

In un aereo corto e veloce, come un Bonanza, dalla coda a V, in un bank di 5 gradi, a 162 nodi, la scivolata a coda lunga sarà una frazione di grado – notabile a stento. D’altra parte in un aliante lungo e lento, in manovra per rimanere in una termica usando 45 gradi di bank a 50 nodi, l’effetto sarà cinquanta o cento volte maggiore! Ci sarà bisogno di diversi gradi di timone. Potrebbe essere necessario spingere a fondo il pedale del timone solo per far si che l’aria scorra dritta sulle ali (anche accettando un po’ di scivolata sulle ali, per ridurre il flusso traverso su fusoliera e stabilizzatore, ci sarà ancora bisogno di pedale, e molto.)

 

Figure 8.10 : Airplane in a Tight Turn — Rudder Deflected

Voglio sottolineare che anche se si da timone interno (timone in basso ), durante la virata, non si tratta assolutamente di una virata in slittamento (a meno di non esagerare e usare troppo timone interno). Questo uso del timone non ha nessuna correlazione con la virata derapata discussa nella sezione 8.10.

Sarebbe bello se il flusso dell’aria fosse allineato perpendicolarmente alle ali e sempre parallelo alla fusoliera, ma in una virata stretta questo non è possibile. Bisogna fare un compromesso. (??) L’assetto caratterizzato da minore resistenza è quello con il muso leggermente di taglio, rispetto l’interno della virata, e la coda leggermente di taglio rispetto l’esterno della virata.

Il modo migliore di fare la prova dell’allineamento è con la striscia (nota 13) – un pezzo di tessuto esposto al flusso dell’aria, visibile dal pilota. Se non si possiede una striscia (come normalmente capita) ci si può riferire alla pallina dell’inclinometro (nota 14).

8.10    La virata in derapata

Il mio amico Larry ha una barca. Non ha gli alettoni. La va virare con il timone (nota 15). Questo cambia la direzione verso cui la barca punta.   Come mostrato in Figura 8.11, ciò provoca lo scorrimento dell’acqua di traverso rispetto alla chiglia, creando delle forze laterali che di fatto cambiano la direzione verso cui la barca si muove.

Figure 8.11 : Una barca in derapata

 

Figure 8.12 : Un aereo in derapata: vira come la barca

Si può dire lo stesso per un aeroplano. Tenendo le ali orizzontali, premiamo il pedale del timone destro. Questo provoca un’imbardata dell’aereo a dritta. Come mostrato in figura 8.12, l’aria colpirà la fusoliera a sinistra, creando delle forze laterali (nota 16) che gradualmente spingeranno l’aereo in una virata a destra (ci sarà parecchia resistenza, ma non ce ne occupiamo in questo momento). La forza del vento sul timone (necessaria per imbardare l’aereo) è minore e di direzione opposta alla forza del vento risultante sulla fusoliera.

Nel volo a motore, la componente orizzontale della spinta creerà un ulteriore contributo alla virata in derapata.

Ripeto: l’aereo vira a destra, se si tiene giù il pedale del timone destro – anche se le ali non sono inclinate.   Naturalmente, virare un aeroplano nella maniera giusta (usando le ali) è dieci volte più efficacie e più efficiente della virata in derapata.

8.11    La banderuola durante il rullaggio

When the airplane is on the ground, it feels the force of the ground and the force of the wind.

Since the tail is far, far behind the wheels, a crosswind will create a torque around the yaw axis. It will tend to blow the tail downwind, forcing the nose to turn upwind, just like a weathervane .

Now, suppose you are moving (as opposed to parked). The weathervaning tendency causes the nose to turn into the wind. The wheels are still on the ground, making lots of friction , so the airplane will roll in the direction determined by the wheels, i.e. the direction it is heading. Therefore the airplane will travel toward the upwind side of the runway . This may seem ironic or even paradoxical, but it's true — the crosswind causes the airplane to move upwind. ¹⁷ You have to deflect the rudder to downwind to compensate.

Quando l’aereo si trova a terra, è soggetto alle forze di terra, oltre che alla forza del vento.

Essendo la coda lontana e indietro rispetto alle ruote, un vento traverso creerà una coppia attorno all’asse di imbardata. Ciò tenderà a spingere la coda nella direzione del vento, forzando il muso a virare verso la direzione di provenienza del vento, proprio come una banderuola.

Supponiamo ora di muoverci. La tendenza a fare banderuola farà si che il muso si giri verso il vento. Le ruote sono ancora a terra, creando molto attrito, per cui l’aereo si muoverà nella direzione decisa dalle ruote, ossia la direzione verso cui punta. Quindi l’aereo tenderà a muoversi verso la direzione di sopravento della pista. Potrà sembrare ironico e persino paradossale ma è vero – il vento traverso farà tendere l’aereo a muoversi contro vento (nota 17). Bisogna dare timone sottovento per compensare.

8.12    Spinta asimmetrica

In una aeroplano multi motore, se un motore da una parte si ferma, o se per qualsiasi ragione produce meno spinta della sua controparte dell’altro lato, ciò provocherà una coppia (eventualmente anche una coppia notevole) attorno all’asse di imbardata.   Si discuterà di questo nella sezione 17.2.4.

8.13    Bilancio Delle Coppie Sull’asse Di Imbardata - Riassunto

Siamo finalmente arrivati al termine di questa sezione, avendo coperto le principali cause ed effetti delle coppie e dei movimenti sull’asse di imbardata. Di processi del genere ne abbiamo visti parecchi:

·         L’effetto dovuto al flusso elicoidale è importante, specialmente in situazioni di alta potenza e bassa velocità.

·         La precessione giroscopica significa che piegare gli stabilizzatori provocherà un moto di imbardata (e piegare i timoni provocherà una variazione di assetto).

·         L’imbardata inversa significa che piegare gli alettoni provoca un momento imbardante.

·         L’effetto di scivolata “coda lunga” significa che una virata incauta diventa una virata in scivolata. Quest’effetto è notevole negli alianti. Molto meno importante negli aerei a motore tipici, ma ha importati implicazioni nella stabilità del rollio, come discusso nella sezione 9.3.

·         Il fattore P esiste in linea di principio, ma di regola non è significativo.

·         Il moto effettivo attorno all’asse di imbardata creerà un momento imbardante che tende ad attenuare il moto.

·         Imbardare un aereo cambia la direzione verso cui punta , ma non modifica automaticamente cambiare la direzione verso cui si sta movendo; l’effetto “virata a barchetta” ( in derapata) esiste, ma è debole ed inefficiente.

·         Il pilota può usare il timone per opporsi ad effetti di imbardata indesiderati, o provocare quelli desiderati.

 

Alcune di queste idee verranno rivisitate in occasione della discussione sul “Dutch roll”, nella sezione 10.6.1.

Percepire la coordinazione e mantenere il volo coordinato è importante. Nel capitolo 11 ci sarà un’ulteriore approfondimento su questo argomento, con una discussione su come e perché provocare una scivolata intenzionale.

 

1                     per la discussione della terminologia di forze e momenti fare riferimento alla sezione 19.7.

2                     tutti gli esempi di questa sezione assumono un tipico motore americano, che ruota in senso orario, visto da dietro.

3                     La figura esagera la curvatura del flusso.

4                     Si può pensare l’angolo di attacco della pala come l’angolo tra il riferimento ed il vento relativo alla pala. Il vento relativo e la direzione del moto sono lo stesso concetto, solo girato di 180 gradi. Per cui bisogna stare attenti, perché ci sono molti venti relativi diversi, compreso il vento istantaneo relativo alla pala in movimento, ed il vento relativo risultante sull’intero aeroplano.

5                     In maniera interessante, torna a zero quando l’asse è perpendicolare alla direzione del volo, come in elicottero.

6                     Ma se si fa attenzione, lo si può notare in molte altre situazioni.

7                     L’accelerazione sull’asse di imbardata (che può essere un concetto un po’ ostico) è discussa in maggiore dettaglio nella sezione 8.8.1.

8                     Questa analisi ignora la tendenza di overbanking, e vari altri piccoli effetti.

9                     Sebbene in una virata costante può essere necessaria un po’ di flessione del timone, a causa dell’affetto “coda lunga”, come discusso nella sezione 8.9, ed in una virata costante sarà necessario un po’ di timone a causa della portanza girata e dell’inerzia sull’asse di rollio, come discusso nelle prossime sezioni.

10                 Anche il vettore resistenza viene girato , ma le conseguenze sono troppo piccole per occuparsene.

11                 Non sarà proprio coordinato, a causa dell’effetto della scivolata “coda lunga”, come visto nella sezione 8.9.

12                 Ma normalmente ci vorrà un po’ di timone, per compensare l’effetto di scivolata “coda lunga”.

13                 Viene più comunemente chiamata stringa d imbardata, ma in effetti misura l’angolo di scivolata, non l’angolo di imbardata.   Se ne discuterà con maggior dettaglio nella sezione 17.2.3.

14                 Comunque, la pallina dell’inclinometro e la striscia della scivolata misurano in realtà grandezze piuttosto differenti. La differenza è importante in caso di spinta asimmetrica, come discusso nella sezione 17.2.4.

15                 Nota per gli amanti di barche: ci sono alcuni grossi aerei di linea che usano i sistemi di controllo del rollio al posto degli alettoni, anche se essi sarebbero principalmente previsti per il comfort dei passeggeri, non per virare.   Inoltre, ci sono barche che possono entrare in virata inclinandole lateralmente. Sulla mia asse da surf, per esempio, bisogna inclinarla dalla parte sbagliata (i.e. verso l’esterno della curva) spostando il peso. Alcuni yachts da corsa si possono virare facilmente solamente spostando il peso dell’equipaggio. Molte barche da corsa si inclinano in virata. Ma stiamo andando fuori tema. Il punto è che la barca di Larry (come molte altre) si inclina sottovento sia che si stia virando a sinistra, a destra, o si stia procedendo dritto. La ragione per cui non si inclina più di quanto faccia è che ci sono un paio di migliaia di libbre di piombo nella chiglia.   Non si può inclinarla spostando il peso, e anche se ci si riuscisse, non virerebbe più di tanto.   La si fa virare usando il timone.

16                 Tecnicamente, questa forza è classificata come una forza di portanza, visto che è perpendicolare al vento relativo – anche se viene prodotta dalla fusoliera (e non dalle ali) e persino se è orizzontale.   Vedere le definizioni nel capitolo 4.

17                 In quei rari casi in cui l’attrito delle ruote è insufficiente (come un idrovolante, o un aereo che rulla su una superficie ghiacciata) è possibile che il vento riesca a spostare l’aereo. Questo ovviamente non ha niente a che vedere con un momento; è una semplice forza.

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