Figura 4.1: Le Quattro Forze – Discesa a bassa velocità
| Tradotto dal Gruppo SHIFTE-I | [ Silvio San Martino (oudeis@libero.it)] |
| Versione 1.2 | 13 Agosto 2002 |
| Nomi del tipo {@default###} | Eliminati riferimenti inutilizzati |
| Link Capitoli/Sezioni/Figure | Aggiornati e verificati |
[Precedente] [Sommario] [Successivo]
[Commenti o domande]
Copyright © 1996-2001 jsd
Lo scopo principale di questo capitolo è chiarire i concetti di portanza,
resistenza, trazione e peso . Nei libri di testo per piloti vengono
essi vengono chiamati anche le quattro forze .
Per i piloti non è necessario avere una conoscenza precisa delle quattro
forze. Il concetto di energia (discussa nel capitolo
1) è considerevolmente più importante. Nella cabina di guida
(particolarmente nelle situazioni critiche come durante la fase finale) io penso
più alla quantità di energia che alle quattro forze aereodinamiche.
Eppure, ci sono alcune situazioni nelle quali è più utile parlare
in termini di forze, cosìcchè è utile che conoscere la
terminologia.
Il vento relativo che agisce sull'aereo produce una certa quantità di forza che è denominata la forza aerodinamica totale. Questa forza può essere suddivisa in due componenti principali, denominati portanza e resistenza.
Queste sono le definizioni ufficiali.
La figura 4.1
mostra l'orientamento delle quattro forze quando l'aereo effettua una discesa
in "volo-lento" con assetto cabrato e motore che eroga potenza.
Similmente, la figura 4.2 mostra le quattro forze durante una discesa ad alta velocità. L'angolo d' attacco è molto più ridotto, e ciò e congruo con la maggiore velocità relativa
Per concludere, la figura 4.3 mostra durante una cabrata. L' angolo di attacco, la portanza e la resistenza hanno la stessa grandezza della figura 4.2
Si noti che le quattro forze sono definite facendo riferimento a tre sistemi
coordinati differenti: infatti la portanza e la resistenza sono definite facendo
riferimento al vento relativo, mentre la gravità è definita in
rapporto alla terra e la trazione è definita in relazione all'orientamento
dell'aereo. Nel volo livellato questi sistemi coordinati solitamente non differiscono
troppo, ma nella figura
4.1 potete vedere la differenza.
Questa situazione sembra un po’ complicata ed in realta lo è: per esempio,
la trazione, la portanza e la resistenza hanno componenti verticali che si uniscono
per contrastare il peso; similmente sia la trazione che la portanza hanno una
componente orizzontale rivolta in avanti.
Nel normale volo di crociera, la situazione è più semplice. Quando
tutti e tre i sistemi coordinati coincidono, la portanza deve bilanciare il
peso e la trazione deve bilanciare la resistenza.
La figura 4.4 dimostra
che non è certo presupporre che la portanza contrasti sempre il peso,
o la trazione contrasti la resistenza in modo esatto. Un bomba che cade diritta
verso il basso non ha portanza e trazione; quando raggiunge la velocità
terminale il suo peso relativo è sostenuto solamente dalla resistenza.
Un altro caso interessante è quello di un modulo di atterraggio lunare
(figura 4.5)
che si sostiene sul getto del proprio razzo: non ha né portanza nè
resistenza essendo il suo peso relativo sostenuto dalla sua stessa trazione.
Potete pensare che la portanza, la trazione, il peso e la resistenza siano definite in modo strano ma è certo che le definizioni non vanno incontro a modificazioni in tempi brevi: hanno molta storia dietro di sé a al momento offrono indubbi vantaggi quando si devono analizzare situazioni complesse.
Il bello è che queste sottigliezze sono in verità abbastanza poco importanti. In primo luogo, gli angoli nella figura 4.1 sono notevolmente esagerati. In un volo normale (al contrario delle acrobazie aeree), anche durante la salita e la discesa, gli angoli della fusoliera sono generalmente abbastanza piccoli, cossicchè la trazione è sempre quasi orizzontale. Inoltre, il vento relativo differisce da quello orizzontale solo per pochi gradi, in modo che la resistenza è sempre quasi orizzontale e la portanza è quasi verticale tranne che durante le virate.
La situazione più importante nella quale dovete preoccuparvi delle forze
che agiscono sul vostro aereo è durante la virata. Durante una virata
con elevato angolo di bank, il vettore della portanza risulta essere inclinato
a sinistra o a destra della verticale. Per sostenere il peso dell'aereo e
permettere che l'aereo effettui la virata, la portanza deve essere significativamente
più grande del peso. Ciò ci conduce alla nozione di fattore
di carico , che è discusso nella sezione 6.2.3 .
Il fatto fondamentale è che la trazione è solitamente quasi uguale
(ed opposta) alla resistenza e la portanza è solitamente quasi uguale
(ed opposta) al peso moltiplicato il fattore di carico.
Se non ci piacciono le definizioni tecniche della portanza, resistenza, trazione e peso, siamo liberi usare altri termini. In particolare, possiamo affermare che: durante un volo non soggetto ad accellerazioni, le forze dirette verso l’ alto bilanciano le forze dirette verso il basso e che le forze dirette in avanti bilanciano quelle dirette all’indietro. Questa affermazione risulta vera indipendentemente dal fatto di calcolare separatamente i contributi della portanza, resistenza, trazione e peso.
Prima di continuare, vorrei fare cenno a due piccoli paradossi. (1) in una
cabrata effettuata a bassa velocità e ad alta potenza, la portanza è
inferiore al peso perché la trazione sta sostenendo parte del peso. Sebbene
appaia strano dire che la portanza è inferiore al peso durante una cabrata,
è tecnicamente corretto. (2) durante una discesa bassa potenza e alta
velocità, la portanza è ancora una volta inferiore al peso perché
la resistenza sta sostenendo parte del peso.
Questi paradossi sono puri "tecnicismi", e sono da considerarsi conseguenze
delle definizioni particolari delle quattro forze. Non hanno effetto sulla tecnica
pilota.
Continueremo a parlare dell'equilibrio delle forze nella sezione 19.1 .
Abbiamo visto che la forza totale che agisce sull'aereo può essere divisa
nella portanza e nella resistenza. Ora esamineremo le varie modalità di suddividere
e di classificare la resistenza.
Quando una forza agisce su una superficie, è spesso utile distinguere
la componente che si agisce parallelamente alla superficie (attrito lungo
la superficie) contro le forze che agiscono perpendicolarmente alla superficie
(pressione contro la superficie).
La figura 4.6
illustra l'idea di resistenza di pressione.
Se il tavolino sta muovendosi da destra a sinistra, potete opporvi al suo movimento
mettendo la vostra mano contro la superficie verticale anteriore e spingendo
orizzontalmente.
La figura 4.7
illustra l'idea di resistenza di attrito. Un
altro modo per opporsi al il movimento del tavolino è quello di mettere
la vostra mano nel mezzo della superficie orizzontale ed usare l'attrito per
generare una forza lungo la superficie. Ciò potrebbe funzionare
non troppo bene se la vostra mano è bagnata e sdrucciolevole.
La figura 4.8
mostra una situazione dove l'aria che fluisce lungo una superficie genera una
gran quantità di resistenza di attrito. Infatti la zona dove l'aria in
rapido movimento è vicino alla superficie esterna risulta essere molto
estesa. Al contrario, ci sarà pochissima resistenza di pressione perché
la zona frontale è estremamente ridotta.
La resistenza di attrito è proporzionale alla viscosità del
fluido. Fortunatamente, l'aria ha una viscosità piuttosto bassa, in modo
che, nella maggior parte delle situazioni, la resistenza di attrito è
piccola in confronto alla resistenza di pressione. Al contrario, la resistenza
di pressione non dipende tanto dalla viscosità quanto dalla densità
totale dell'aria
La resistenza dii attrito e la pressione di attrito creano una forza proporzionale
all’ area interessata ed al quadrato della velocità relativa. La parte
della resistenza di pressione che un'ala produce dipende dalla quantità
di portanza prodotta. Questa parte della resistenza è chiamata resistenza
indotta. Il resto della resistenza — tutto tranne
la resistenza indotta — è chiamata resistenza parassita.
La parte della resistenza parassita che non è dovuta all’attrito è
chiamata resistenza di forma perché,
come vedremo, è estremamente sensibile alla forma dell'aereo.
Un oggetto con profilo aereodinamico come quello come
appare figura 4.9 può
avere una resistenza di forma dieci volte inferiore rispetto a un oggetto non
affusolato avente una zona frontale sovrapponibile come sezione (per esempio
la lamina piana nella figura 4.10
). La pressione massima davanti ai due oggetti sarà la
stessa, ma (1) la figura aereodinamica causa una accelerazione dell’ aria, in
modo che la zona a più alta pressione è più piccola, e
soprattutto, (2) si verrà a creare una alta pressione dietro l'oggetto
che tenderà a farlo avanzare, annullando così la maggior parte
della resistenza di pressione, come appare in figura
4.9 . Questo fenomeno è chiamato recupero di pressione.
Qualsiasi oggetto che si muove attraverso l'aria avrà una regione ad
alta pressione nella parte anteriore, ma un oggetto con profilo aereodinamico
avrà una regione ad alta pressione anche nella parte posteriore.
Il modello di flusso1
vicino ad un oggetto non aereodinamico non
è simmetrico nelle porzioni anteriori e posteriori perché le linee
di flusso si separano dall'oggetto appena girano
intorno agli angoli aguzzi della piastra. La separazione è discussa più
a lungo nel capitolo 18
L’aereodinamicità di un oggetto non è mai perfetta; c’è
sempre una certa resistenza alla pressione. La resistenza indotta contribuisce
alla resistenza di pressione ogni volta che si genera portanza (anche per gli
oggetti perfettamente aereodinamici in assenza della separazione).
Tranne che per oggetti molto piccoli e/o velocità molto basse, la resistenza
di pressione è più grande della resistenza di attrito (anche per
gli oggetti con ottimo profilo aereodinamico). La resistenza di pressione di
un oggetto non aereodinamico è molto più grande. Ecco perchè
nei velivoli per alte performances, ci si preoccupa che persino le più
piccole cose (per esempio i tappi del serbatoio) siano perfettamente allineate
rispetto al flusso d'aria.
Un'eccezione importante riguarda l'aria che deve attraversare il compartimento
del motore per raffreddare il motore. Una gran quantità di aria deve
passare attraverso strette scanalature. La resistenza di attrito risultante
— detta resistenza di raffreddamento — costituisce
il 30% della resistenza totale di alcuni aeroplani.
Diverentemente dalla resistenza di pressione, la resistenza di attrito non può
essere annullata, neppure parzialmente. Una volta che l'energia è persa
per l’ attrito, è persa per sempre.
I differenti tipi di resistenza sono ricapitolate nella figura
4.11 . Il modo per ridurre la resistenza indotta (mentre si mantiene
la stessa quantità di portanza) è quella di avere una maggiore
apertura alare e/o di volare più velocemente. Il modo per ridurre la
resistenza di attrito è rendere meno estesa la superfice alare (cioè
la superfice totale su cui scorre aria ad alta velocità). Il modo per
ridurre la resistenza della forma è quella di minimizzare la separazione,
migliorando la aereodinamicità.
La parola Resistenza si riferisce solitamente ad una forza (la forza di resistenza). Anche la parola Portanzafa riferimanto ad una forza. Ma ci sono altri modi di guardare le cose.
È spesso conveniente scrivere la forza della resistenza come numero adimensionionale (il coefficente di resistenza) moltiplicato un insieme di fattori che caratterizzano la situazione :
Resistenza = ½ r V 2 × coefficiente di resistenza × area (4.1 )
dove la r ( lettera greca "rho") è la densità
dell'aria, la V è la vostra TAS (True AirSpeed) e la superfice
è quella dell'ala (eccettuata l'area della fusoliera ecc.).
Similmente, esiste un coefficente di portanza :
Portanza = ½ r V 2 × coefficiente di portanza × area (4.2 )
Abbiamo usato queste equazioni nella sezione 2.12 per spiegare perchè l'indicatore di velocità
relativa è una buona sorgente delle informazioni sull'angolo dell'attacco.
Una cosa piacevole circa queste equazioni è che il coefficente di portanza
ed il coefficente di resistenza dipendono dall'angolo dell'attacco. Se poteste
(per magia) mantenere costante l'angolo di attacco, il coefficente di portanza
ed il coefficente di resistenza sarebbero notevolmente indipendenti dalla velocità
relativa, dalla densità, dalla temperatura, o qualsiasi altro fattore.
Il coefficente di portanza è un rapporto2
che misura quanto efficacemente un’ ala è in grado di trasformare la
pressione dinamica disponibile in una aspirazione utile diretta sopra l'ala.
Un profilo alare tipico può realizzare un coefficente di portanza intorno
a 1,5 senza flap; anche con i flap è difficile realizzare un coefficente
di portanza maggiore di 2,5 circa. Per i dati sui profili alari reali, si veda la figura
3.14 e/o il riferimento 5
La figura
4.12 mostra come i vari coefficenti dipendono dall'angolo dell'attacco.
La parte di sinistra della figura corrisponde alle più alte velocità
relative (angoli dell'attacco più bassi). Si noti che la curva del coefficiente
di portanza è stato ridotta di un fattore dieci per farla adattare al
grafico. Gli aerei sono macchine realmente buone a produrre molta portanza con
poca resistenza.
Nel range che corrisponde al volo normale (diciamo 10 gradi di angolo di attacco o meno) possiamo fare le seguenti approssimazioni, che chiamerò il modello-base Portanza/Resistenza
Ad angoli di attacco più alti (che si avvicinano o superano l'angolo di attacco critico) queste approssimazioni non sono più valide.
Il coefficente di resistenza parassita e la resistenza indotta diventeranno
velocemente molto grandi. Non ci saranno rapporti semplici di proporzionalità.
I dettagli non sono di molto interesse per la maggior parte dei piloti, per
il seguente motivo: si tende a recuperare uno stallo non appena esso si verifica,
cosicchè non si passa molto tempo nel regime di stallo. Se siete interessati
al volo in regime di stallo ed alle viti, si veda il capitolo 18
Durante il volo, non siamo liberi fare qualsiasi quantità di portanza che desideriamo. La Portanza è quasi sempre uguale al peso moltiplicato il fattore di carico. Ciò ci permette di riscrivere l'equazione della portanza come segue:
coefficente di portanza = (peso × fattore di carico) / (½ r V 2 × area) (4.3 )
dove il fattore di carico e la velocità relativa sono più o meno le uniche variabili della parte destra dell'equazione.
A causa del fattore del quadrato della velocità relativa, l'aereo deve
volare con un coefficente di portanza molto alto per sostenere il suo peso alle
basse velocità relative.
Nella figura 4.13 si
vedono le stesse quattro curve contro la velocità relativa: la parte
di sinistra del diagramma corrisponde alle velocità relative più
basse (angoli di attacco più alti).
La figura 4.14 mostra le forze corrispondenti. Vediamo che mentre il coefficente della resistenza parassita è più o meno costante, la forza della resistenza parassita aumenta con la velocità relativa. Se qualcuno vi dice che il "la resistenza è... una funzione della velocità relativa" dovete chiedergli se per "resistenza" si riferisce al coefficiente di resistenza, alla forza di resistenza, o (come discusso sotto) alla potenza della resistenza.
Possiamo inoltre vedere nella figura che la curva della forza della portanza
è perfettamente costante, che è quanto ci si aspettava, poiché
la figura è stata costruita usando il principio che la forza della portanza
deve essere uguale al peso dell'aereo; è un discorso parallelo a quando
ho convertito l'angolo di attacco in velocità relativa.
Il punto più basso nella curva della forza
della resistenza totale corrisponde alla V L/D e dà
il miglior rapporto Portanza/Resistenza. Usando il modello-standard ed effettuando
un piccolo calcolo, si può dimostrare che questo si presenta a destra
rispetto al punto in cui la curva della forza della resistenza indotta attraversa
la curva della forza della resistenza parassita.
La figura 4.15
mostra la quantità di Dispersione dovuta alla resistenza, per i vari tipi
di resistenza. La Dispersione è una forma di Potenza, infatti si esprime
in energia per unità di tempo.
.Nel caso della resistenza, abbiamo specificamente:
dispersione = forza della resistenza · velocità relativa (4.5)
Il punto più basso della curva per la potenza della resistenza totale corrisponde a VY e dà il miglior tasso di salita.
Usando il modello standard di P/R e un piccolo calcolo, si dimostra che a questa velocità, si presenta a destra rispetto al punto in cui la potenza di resistenza indotta è 3/4 del totale e la potenza della resistenza parassita è 1/4 del totale.
Nell' aereo rappresentato in queste Figure, VY è così vicino alla velocità di stallo che il modello standard di P/R sta iniziando a non essere più valido ed il rapporto di 3:1 non è completamente esatto.
Nel caso della portanza, la forza è (per definizione) perpendicolare al vento relativo, cossicchè non esistono fenomeni simili alla dispersione che possono essere dati dalla portanza. (Naturalmente il processo fisico che produce portanza produce anche la resistenza indotta, ma quella parte della forza che viene chiamata Portanza non è la parte che contribuisce al bilancio della potenza.)
Possiamo trarre alcune utili conclusioni da queste curve. Per cominciare,
vediamo che la curva della potenza totale necessaria a prevenire la dispersione
ha una forma familiare infatti è una versione capovolta della curva di potenza
mostrata nella sezione 1.2.5 e altrove in questo libro.
We can also see why the distinction between induced drag and parasite drag is significant to pilots:
Possiamo inoltre renderci conto del motivo per cui la distinzione tra resistenza indotta e resistenza parassita è importante per i piloti:
In regime di alta velocità (che comprende la normale crociera), la potenza richiesta aumenta rapidamente con l’aumentare della velocità. In realta cresce quasi come il cubo della velocità. Il motivo è semplice: la resistenza parassita costituisce il contributo predominanteal coefficiente di resistenza ed è abbastanza indipendente dalla velocità.4 Prendiamo due fattori di V dalla equazione 4.2 and una dalla equazione 4.4. Conoscere questa legge del cubo è utile per calcolare l’andamento della curva di potenza del vostro aereo (sezione 7.6.2), e per calcolare la grandezza del motore a voi necessario in funzione della velocità (sezione 7.6.4) e della quota (sezione 7.6.5).
[Precedente] [Sommario] [Successivo]
[Commenti o domande]
Copyright © 1996-2001 jsd
