PAF Teresa López-Arias 26 maggio 2010

Presentazione sul tema: "PAF Teresa López-Arias 26 maggio 2010"— Transcript della presentazione:

1 PAF Teresa López-Arias 26 maggio 2010
La fisica del volo PAF Teresa López-Arias 26 maggio 2010

2 Il linguaggio della fluidodinamica
Ipotesi del continuo La particella di fluido Pressione totale, statica e dinamica Sforzo di taglio Viscosità e condizione di non-slittamento Strato limite (ipotesi di Prandtl) Regimi fluidodinamici: laminare e turbolento Similitudine fluidodinamica e numero di Reynolds

3 CONCETTI CHIAVE DELLA FLUIDODINAMICA
Pressione (totale, statica e dinamica) Viscosità Condizione di non slittamento Strato limite

4 CONCETTI CHIAVE DELLA DINAMICA
Forze: portanza, resistenza, propulsione, peso III Principio della Dinamica (azione-reazione)

5 Qual’è l’origine della portanza?

6 QUALI SONO LE FORZE IN GIOCO?
Portanza (?) Resistenza (?) Propulsione Peso

7 Come avviene l’interazione
tra l’aria e l’ala? Forze perpendicolari alla superficie PRESSIONE Forze tangenziali alla superficie SFORZO DI TAGLIO

8 Interazione fluido – solido: pressione e sforzo di taglio
(forza normale alla superficie) (forza tangente alla superficie)

9 Ma quale pressione..? Statica (anche per un fluido in movimento!)
Dinamica Totale = Statica + Dinamica

10 Il tubo di Pitot pressione totale pressione statica pressione dinamica
velocità aria

11 Unità di misura della pressione
1 at = 760 mmHg = Pa = 1013 mbar = 10,3 mH2O 1 mbar = 100 Pa 1 bar = 105 Pa = 100 KPa

12 Come agiscono gli sforzi di taglio?
Viscosità Non-slip condition Ipotesi di Ludwig Prandtl ( ): lo strato limite (boundary layer), ovvero dove la viscosità conta molto

13 condizione di non slittamento
strato limite

14 stallo perdita di portanza

15 cambered airfoil Portanza ad angolo di attacco nullo stallo

16 symmetric airfoil stallo Portanza nulla ad angolo di attacco nullo

17 Forse hai sentito che le ali degli aeroplani devono avere un profilo curvo e asimmetrico per poter volare? Non è vero!

18

19 E’ falso! Hai mai sentito nominare il
“Principio di Egual Tempo di Transito”? E’ falso!

20 Come vola un razzo?

21 Come vola un elicottero?

22 Come vola un aeroplano?

23 Un aereo vola per lo stesso motivo di un elicottero
Un aereo vola per lo stesso motivo di un elicottero! (spostando tanta aria verso il basso)

24

25 deviazione dell’aria verso il basso
-18 g +18 g portanza downwash deviazione dell’aria verso il basso azione (viscosità) reazione

26 Airfoil Chord line Thickness Chord, c Camber

27 L(lift) agisce fondamentalmente nella direzione normale all’ala (forze di pressione)
D (drag) agisce fondamentalmente nella direzione parallela all’ala (sforzi di taglio) relative wind angle of attack chord line

28 Equazioni del moto di un aeroplano
orizzonte direzione di volo linea di corda T D W

29 Forze parallele alla linea di volo
Forze perpendicolari alla linea di volo

30 In volo livellato a velocità costante:

31 Volo statico finesse

32 FINESSE (F ) = 1/E = L/D La qualità aerodinamica aumenta con il diminuire dei bisogni energetici, E La finesse è in rapporto diretto con la qualità aerodinamica Finesse = Glide number = Glide ratio F (albatros) = 20 F (Boeing 747) = 15 F aumenta con ali lunghe e strette e un corpo affusolato

33 La qualità aerodinamica aumenta con il diminuire dei bisogni energetici, E
La finesse è in rapporto diretto con la qualità aerodinamica Finesse = Glide number = Glide ratio F (albatros) = 20 F (Boeing 747) = 15 F aumenta con ali lunghe e strette e un corpo affusolato

34 F = U / v = rate of descent Per un Boeing 747, F = 15
Se tutti i motori si spengono a 10 km di altitudine, l’aereo può restare in aria per altri 150 km Se il Boeing deve planare, è meglio che F sia il più alto possibile! I moderni alianti raggiungono F ~ 40-60

35 Similitudine fluidodinamica

36 Anche se si muovono nello stesso mezzo,
Re (balena)= (ρ U L /μ) = = 103 (kg/m3) 10 (km/h) 30 m / (10-3 Pa·s) ≈ 108 Re (paramecio)= (ρ U L /μ) = = 103 (kg/m3) 10-5 (m/s) 10-4 m / (10-3 Pa·s) ≈ 10-3 Anche se si muovono nello stesso mezzo, la loro situazione fluidodinamica è completamente diversa

37 Re (Airbus)= (ρ U L /μ) = = 1 (kg/m3) 900 (km/h) 80 m / (10-3 Pa · s) ~ 108 Re (ape)= (ρ U L /μ) = = 1 (kg/m3) 1 (m/s) 10-2 m / (10-3 Pa · s)~ 10

38 Links e materiale multimediale
(blog sulla fisica del volo, lcosfi, unitn: descrizione esperimenti, filmati, foto, materiale bibliografico) (descrizione di alcuni elementi di fluidodinamica necessari per capire il volo degli aeroplani; introduce la circolazione; interessanti i diagrammi dei campi di pressione, velocità e forze intorno ad un profilo alare) (immagini e filmati di svariati fenomeni fluidodinamici) (sito educativo della NASA; presenta le tre spiegazioni scorrette più frequenti sull’origine della portanza) (la storia dei Wright, simulazioni, filmati, foto) (un pilota spiega il volo) (mette in luce le misconcenzioni e spiegazioni incorrette più frequenti) Multimedia Fluid Mechanics (DVD, Cambridge University Press)

39 Bibliografia “A History of Aerodynamics”, John D. Anderson Jr. Cambridge University Press “What makes airplanes fly? History, Science, and Applications of Aerodynamics”, Peter P. Wegener, Springer-Verlag “Understanding Flight”, 2° Ed., David F. Anderson & Scott Eberhardt, McGraw Hill “The Simple Science of Flight, From Insects to Jumbo Jets”, Henk Tennekes, The MIT Press

40 Bibliografia “Profili veloci: la resistenza al moto nei fluidi”
(Shape and Flow) Ascher H. Shapiro, Zanichelli “Aerodynamics, Selected Topics in the Light of their Historical Development”, Theodore Von Kármán, Dover Publications Inc.

41 Bibliografia (protagonisti)
“Progress in Flying Machines”, Octave Chanute, Dover Publications Inc. “Il volo degli uccelli come base dell’arte del volo”, Otto Lilienthal, LoGisma Editore “How we invented the airplane, An Illustrated History”, Orville Wright “The Wright Brothers, How they invented the airplane”, Russell Freedman