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Fluidodinamica

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Per comprendere come e perché una aereo possa volare è necessario conoscere un minimo della dinamica dei fluidi.
In particolare il nostro velivolo si muoverà nell'aria, che ipotizziamo come un fluido incomprimibile.
Questo è vero alle basse velocità, quando il velivolo raggiunge velocità vicine a quelle di propagazione del suono, l'aria manifesta la sua comprimibilità e le cose cambiano sostanzialmente.
Parliamo pertanto di regimi SUBSONICO e SUPERSONICO.
Quello che tratteremo in questa parte del corso è esclusivamente il moto in regime subsonico, cioè dove l'aria può essere considerata un fluido non comprimibile e non viscoso (trascuriamo gli attriti).

 

 

 
Il principio fluidodinamico che più ci interessa, semplificando al massimo la trattazione, è quello normalmente attribuito a Daniel Bernoulli, che dice sostanzialmente che in un fluido in moto la somma delle pressioni statica più dinamica si mantiene costante.
Cioè

     cioè    

essendo la pressione dinamica

Questo principio deriva dalle leggi di conservazione della massa, dell'energia e della quantità di moto, applicate ad un fluido in movimento.
A noi quello che interessa però e semplicemente che se un fluido va più veloce la sua pressione diminuisce.
V è la velocità del fluido espressa in m/s, mentre r è la densità dell'aria, che al livello del mare vale 1.225 kg/m3

Consideriamo due casi esemplificativi:

  • Quando il fluido scorre all'interno di una condotta (è il caso di una tubazione di un impianto idraulico, del vento tra le pareti delle montagne, del flusso dell'aria all'interno di un motore a getto ...)

  • Quando un solido viene a trovarsi all'interno di un fluido (ad esempio l'ala di un aeroplano, ma anche una palla da calcio o un proiettile)


Il concetto di base è che se costringo il fluido a passare in una sezione più piccola di condotto, ovvero a fare più strada per superare un ostacolo (ad esempio il dorso di un'ala), per poter passare la stessa massa nello stesso tempo attraverso una sezione più piccola (ricordiamoci che il fluido non si può comprimere), deve necessariamente aumentare la velocità.

Un condotto sagomato in modo da presentare una parte convergente e quindi divergente e che in qualche modo sfrutta la depressione che si viene a generare nella gola prende il nome di TUBO DI VENTURI.


 
In pratica la pressione minore sul dorso dell'ala comporta una minore forza (F2) rispetto a quella prodotta dalla normale pressione atmosferica (F1).
La differenza tra queste due forze è la portanza che permette il sostentamento dell'ala.
Molti fenomeni a noi comuni sono dovuti alle depressioni causate da un fluido in movimento.
Ad esempio:
  • Una finestra che sbatte .. si apre in quanto il vento (aria in movimento) all'esterno produce una depressione.
  • Il fastidio alle orecchie che si prova in treno se si entra in galleria con il finestrino aperto - il sistema galleria/treno si comporta come un tubo di venturi, aumenta la velocità dell''aria che deve uscire per lasciare spazio al treno e diminuisce la pressione
  • Le bombolette spray, dove un gas in pressione esce attraverso un tubo di venturi e quindi per depressione aspira e nebulizza il prodotto contenuto nella bomboletta.
  • L'effetto Venturi era utilizzato negli anni '70 sulle vetture di Formula 1 - l'aria passando tra il suolo e il fondo dell'auto creava una depressione che teneva praticamente "incollata" l'auto al suolo.
    Era però molto pericoloso perché bastava un minimo sobbalzo perché l'auto prendesse letteralmente il volo. Lo spettacolare (e mortale) incidente di Jilles Villeneuve fu proprio dovuto a questo.
     

Effetti venturi 1 - Effetto venturi 2

EFFETTO MAGNUS
Un'altra applicazione del principio di Bernoulli, che prende nome di "EFFETTO MAGNUS", è la forza deviante che si viene a generare su una sfera o un cilindro in movimento che oltre a traslare ruotino.
Da una parte la corrente verrà "aiutata" dal movimento di rotazione, mentre dall'altro la rotazione la contrasta.
Questo comporta una maggiore velocità della corrente sul lato dove la rotazione le è favorevole, esattamente come per un profilo alare.
Il risultato è una "portanza", cioè una forza che devia la sfera dalla sua traiettoria.
L'applicazione più nota di questo effetto si ha nei giochi con la palla, dove colpendo la palla "di taglio" (ovvero non nel "centro"), si provoca una rotazione che fa assumere al pallone una traiettoria deviata rispetto a quella naturale (il tiro ad effetto).
 

 
Se una sfera si sposta senza ruotare il fluido la lambisce in modo simmetrico e non si generano forze devianti. Se la sfera ruota, invece, l'aria a contatto con questa ruota anch'essa e accelera il fluido da una parte mentre lo rallenta dall'altra.
Il risultato è una forza deviante, a tutti gli effetti una PORTANZA, normale alla traiettoria.
Visualizzazione dei filetti fluidi sulla traiettoria di un pallone in galleria aerodinamica mediante fumo fosforescente.
Effetto Magnus su un pallone da basket fatto ruotare e lanciato - la traiettoria è molto diversa da quella perfettamente verticale che ci aspetteremmo.
Notiamo che dal momento che l'effetto Magnus produce una portanza e quindi una forza, questa imprime un'accelerazione al pallone, e quindi questo effetto risulta molto più evidente più il percorso è lungo (la velocità di traslazione continua ad aumentare).
L'effetto Magnus è oggi utilizzato per la propulsione della E-Ship1, una nave dedicata al trasporto di pale eoliche.
Su questa nave i 4 cilindri sono collegati all'apparato motore e in presenza di vento trasversale ruotano aiutando, per effetto Magnus, la propulsione.

EFFETTO COANDA
Tutto questo funziona in quanto quando un fluido incontra un corpo solido tende a seguirne la forma.
Questo effetto, dovuto agli attriti tra l'oggetto e il fluido, si chiama "effetto COANDA".
Lo si può sperimentare facilmente con un cucchiaio sotto al getto d'acqua di un rubinetto.

 

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