Progetto P.U.R.A. (Progetto Unico per la Riforma dell’Aeronautico) La propulsione nel volo

Che cos’è che fa muovere un razzo?

Che cos’hanno in comune seppie, polpi, meduse e razzi?

Osserviamo come si muove un polpo

Sfruttano il “Principio della conservazione della quantità di moto” Quando la seppia vuole spostarsi nell'acqua, emette un getto d'acqua all'indietro, e questo la fa muovere in avanti per il “principio della conservazione della quantità di moto”. E' dotata, letteralmente, di propulsione a getto.

Altrettanto vale per l'aereo e i missili a reazione Altrettanto vale per l'aereo e i missili a reazione. Essi proiettano all'indietro un flusso di gas incandescenti, e la loro struttura si muove in avanti"

Il motore ad endoreazione Il motore ad endoreazione, funziona sfruttando la terza legge di Newton, ovvero espellendo gas da una estremità si ottiene una spinta diretta in senso opposto di intensità proporzionale alla velocità ed alla massa di gas espulsi. I gas sono prodotti dalla combustione rapida di un combustibile che può essere allo stato solido o liquido. Per ottenere una spinta utile i gas devono raggiungere velocità supersoniche passando attraverso una strozzatura (ugello) di forma opportuna e variabile a seconda delle caratteristiche del combustibile.

I motori degli aerei rotore statore

Vediamo come sono fatti i motori degli aerei Vediamo come sono fatti i motori degli aerei. I motori degli aerei moderni sono basati sulla turbina; il principio di funzionamento di una turbina è molto simile a quello di un motore a scoppio: viene compresso il comburente (l'aria), viene iniettato il combustibile (cherosene), l'accensione della miscela aumenta la temperatura e si ha un'espansione del gas attraverso la turbina (fase dove si genera il lavoro), e poi i gas combusti escono dall'ugello (scarico). Nel motore a scoppio queste quattro fasi hanno luogo in tempi diversi, all'interno del cilindro, mentre nelle turbine le fasi avvengono in modo continuo in punti diversi. La Figura 1 mostra lo schema delle varie parti della turbina e illustra in modo chiaro l'analogia con il motore a scoppio. All'ingresso del compressore entra un flusso di aria; il compressore consiste di un certo numero di stadi composti da un rotore e uno statore, cioè delle palette rotanti alternate a palette fisse; ad ogni stadio si ha un incremento di pressione. Il compressore è posto in rotazione dalla turbina stessa, a cui è collegato tramite l'albero (e gli opportuni organi di riduzione). Alla fine del compressore si ha la camera dove viene iniettato il combustibile, che insieme all'aria dà luogo alla combustione. L'innalzamento della temperatura dovuto alla combustione fa espandere il gas mettendo in movimento la turbina (anche questa composta da palette), e poi attraverso l'ugello. Parte dell'energia ceduta alla turbina dal gas viene quindi utilizzata dal compressore, mentre l'energia in più può essere sfruttata per compiere altro lavoro: ad esempio esistono turbine a gas per produrre energia elettrica, ottenute collegando la turbina ad un generatore attraverso un altro albero. Nei motori turbo-jet invece il lavoro viene compiuto lasciando uscire i gas combusti ad una velocità molto elevata (questo si ottiene con l'opportuna sagomatura dell'ugello), per il principio di azione e reazione (conservazione della quantità di moto) l'aereo subisce una spinta in avanti. Esistono alcune varianti del turbo-jet classico che impiegano l'energia in modo più efficiente, i turbo-elica, che possono essere impiegati solo per basse velocità, e i cosiddetti turbo-fan, in cui il primo stadio del compressore è più largo del corpo della turbina e agisce parzialmente come elica. Gli aerei militari supersonici ovviamente utilizzano turbo-jet, e la forma dell'ingresso del compressore deve essere opportunamente sagomata per ridurre le onde d'urto dell'aria (si veda la foto in http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/inlet.html). Comunque vi è sempre un rotore con un certo numero di palette; in genere per i jet sono visibili quelle del primo stadio del compressore, mentre quelle della turbina sono mascherate dal getto di gas caldi e ionizzati in uscita dall'ugello, e l'effetto del rotore si ha per angoli di vista minori di un certo angolo limite (per un aereo visto di fianco il rotore è nascosto). Per gli aerei ad elica e gli elicotteri l'effetto della rotazione è quasi sempre visibile. Vediamo allora qual è l'effetto di una pala rotante sul segnale radar.

Il Principio della “Conservazione della quantità di moto”

Esperimenti Aceto e bicarbonato Materiali Un matraccio, un palloncino gonfiabile, spatolina, bicarbonato di sodio, aceto, imbuto Cosa fare Inserisci due o tre cucchiaini di bicarbonato di sodio nel palloncino e versa nel matraccio 50 ml di aceto. Infila il palloncino sul collo del matraccio, avendo cura di non far uscire il bicarbonato dal palloncino. Metti il palloncino in posizione verticale e fa cadere il bicarbonato nell'aceto. Cosa osservare Appena il bicarbonato entra in contatto con l'aceto, si sviluppa una forte effervescenza e, a poco a poco, il palloncino si gonfia Cosa accade L'aceto (acido) reagisce con il bicarbonato di sodio (basico) e da questa reazione si sviluppa anidride carbonica, che raccogliendosi nell'aceto causa l'effervescenza. Man mano che si forma, l'anidride carbonica sale nel matraccio e si raccoglie nel palloncino, gonfiandolo.

Esperimenti Palloncino a reazione Materiale: - spago - nastro adesivo - cannuccia un palloncino Descrizione 1. Infila lo spago nella cannuccia. Legalo poi tra due sedie o a due ganci, in modo che sia ben teso. 2. Gonfia un palloncino e tienilo chiuso con le dita o con una molletta. 3. Fissalo alla cannuccia con il nastro adesivo. 4. Porta il palloncino ad un’estremità del filo. Togli la molletta e lascialo. Cosa succede?

Ora vediamo che cosa hai capito e che cosa ricordi di questa esperienza Su quale principio fisico si basa la spinta che ricevono i razzi e gli aerei? Che cosa si produce nella reazione tra bicarbonato e aceto? Perché se distacco il palloncino dal matraccio, vola verso l’alto come un razzo? Perché il palloncino pieno di aria nel momento in cui si sgonfia si muove in direzione opposta a quella della fuoriuscita dell’aria?