PaginaDiscussioneVisualizza wikitestoCronologia Aerodinamica

L'aerodinamica è una scienza che si occupa dell'interazione tra i corpi in movimento ed il flusso dell'aria che incontrano durante il loro moto.

E' bene definire alcuni concetti che stanno alla base dell'aerodinamica: pressione, legge di Bernoulli, effetto Venturi, profilo alare, effetto suolo;

La pressione

La pressione è la forza esercitata su una superficie, con una direzione perpendicolare a quest'ultima.

Una particolare pressione che riveste notevole importanza in aerodinamica è quella esercitata su tutti i corpi dall'aria che circonda la superficie terrestre, cioè la pressione atmosferica.

La pressione atmosferica è relativamente costante e noi non ci accorgiamo nemmeno che esiste.

La pressione che l'aria esercita sulle pareti di un corpo è una pressione statica. In altri termini è una pressione che l'aria esercita senza muoversi. Quando invece l'aria viene posta in movimento, si genera la pressione dinamica, che nasce e si rafforza a spese di quella statica, la quale invece diminuisce.

Tutto ciò vale sia che un corpo si muova nell’aria sia che l’aria investa il corpo (principio di reciprocità).

La legge di Bernoulli

Di certo non è molto intuitivo il legame che esiste tra pressione statica e pressione dinamica. Tale legame è stato dimostrato da Daniele Bernoulli, un fisico del '700 che, dopo infiniti studi e prove, giunse alla seguente conclusione: la somma tra la pressione statica e quella dinamica è costante.

Quando l'aria è ferma la pressione dinamica non esiste (è uguale a zero): tutta la pressione disponibile è in forma statica. Man mano che l'aria viene messa in movimento, si genera pressione dinamica. Se è vero che la somma di questa nuova pressione con quella statica non varia, significa che la pressione statica è diminuita, tanto quanto è aumentata quella dinamica.

Per sincerarsene basta un semplice esperimento. Si prendano due fogli di carta e li si lascino penzolare tra le dita, paralleli tra loro.

I due fogli delimitano tre zone: la zona compresa tra i fogli stessi e le due zone esterne (destra e sinistra). In tutte tre le zone esiste una identica pressione atmosferica (pressione statica) e quindi i fogli non si muovono. Soffiamo ora tra i fogli (meglio dall'alto verso il basso) e, se abbiamo fatto le cose bene, notiamo che questi, piuttosto che allontanarsi si avvicinano.

È infatti accaduto che, mentre sulle superfici esterne dei due fogli la pressione dell'atmosfera non è cambiata, all'interno l'aria, muovendosi, ha ridotto la sua pressione statica sulle superfici interne.

L'effetto Venturi o paradosso aerodinamico

La prima applicazione pratica della legge di Bernoulli fu fatta da Giovanni Battista Venturi, il quale costruì un tubo in grado di misurare la velocità di scorrimento di un fluido, sfruttando proprio i rapporti tra pressione statica e velocità.

Con i suoi esperimenti, Venturi giunse alla seguente conclusione: l'aria che passa attraverso una strozzatura subisce una accelerazione che è proporzionale alla sua velocità iniziale. Allo stesso modo la pressione statica, a livello della strozzatura, si riduce tanto più quanto è maggiore la velocità iniziale.

In altri termini più veloce scorrerà aria su di un corpo e minore sarà la pressione statica.

Profilo alare

Per sfruttare le nozioni di Bernoulli e Venturi in modo da creare pressioni e depressioni su dei corpi in movimento si modellano questi ultimi in modo che assumano la forma di un profilo alare.

Con il termine di profilo alare si indica la sezione longitudinale di un'ala. Osservando un profilo alare potremo identificare un "margine anteriore", detto bordo d'entrata (o bordo d'attacco), ed uno posteriore, detto bordo d'uscita. La linea immaginaria che collega questi due punti è detta corda alare;

Si definisce incidenza, o angolo di attacco, l’angolo che la corrente d’aria forma con la corda alare.

Il profilo alare nel suo insieme è formato da due semiali disposte simmetricamente e dotate di una superficie superiore, o estradosso, e di una inferiore, o infradosso.

La apertura alare è semplicemente la distanza tra le due estremità alari;

Il camber è la cosiddetta "bombatura" dell'ala. Se si vuol quantificare il camber, si traccia una linea curva tra il bordo d'entrata e quello d'uscita (linea di curvatura), in modo tale che ogni punto di questa linea sia a metà fra la superficie inferiore e quella inferiore: semplificando possiamo dire che i profili sottili hanno poco camber, quelli spessi di più.

Un profilo alare permette di favorire a seconda del suo angolo di attacco le strozzature dell'aria studiate da Bernoulli e Venturi.

La forza aerodinamica totale e l'effetto suolo

Se poniamo un profilo alare rovesciato di 180°, inclinato nel modo giusto (con il giusto angolo di attacco) in un flusso d'aria, notiamo che esso tende immediatamente ad abbassarsi e a restare indietro. Questo significa che è entrata in gioco una forza nuova a far sentire il suo effetto: si tratta della forza aerodinamica totale. Questa forza, definita come "effetto suolo", nasce da una differenza tra le pressioni esercitate dall'aria sotto e sopra l'ala.

La forza aerodinamica totale, dunque, non è altro che la differenza di pressione tra le due "superfici" dell'ala.

Tale differenza di pressione dipende dal fatto che quanto l'ala è investita da un flusso d'aria la pressione sull'estradosso aumenta notevolmente, mentre quella sull'infradosso diminuisce di un poco.

Tutto ciò avviene perchè l'aria che investe l'ala rovesciata è costretta a dividersi in corrispondenza del bordo di attacco, passando in parte sopra ed in parte sotto all'ala.

L'aria che passa sopra l'ala rovesciata si trova in queste condizioni a dover percorrere una strada più corta e avviene un suo rallentamento. Ma a minore velocità corrisponde maggiore pressione statica, ed ecco che, sull'estradosso la pressione è aumentata durante la corsa.

Al contrario sull'infradosso l'aria scorre più velocemente, dunque si creerà una minore pressione (depressione).

La differenza totale di pressione (vale a dire la forza aerodinamica totale) è generata per 2/3 dalla depressione sull'infradosso e per 1/3 dalla sovrappressione sull'estradosso.

E' bene notare che la forza aerodinamica totale generata dipende dall'angolo di attacco, e poco dalla curvatura. Persino un oggetto piatto e sottile come una qualunque tavola piana produce forza aerodinamica, se il vento la investe con un appropriato angolo di attacco.

Per semplificare i calcoli la forza aerodinamica totale "R" risultante viene scomposta in due componenti:

• resistenza "D" (dall'inglese Drag);
• deportanza, in inglese Downforce;

Altre forze che agiscono su un corpo sono:

• il peso del corpo "W" (dall'inglese Weight), dovuto alla forza della gravità;
• la spinta del motore "T" (dall'inglese Thrust, o Power);

La circolazione (o flusso circolatorio)

Come abbiamo accennato, è l'angolo di attacco di un profilo alare rovesciato che permette di creare una strozzatura tale da generare la forza aerodinamica.

In realtà l'angolo di attacco, proporzionalmente ai suoi gradi e alla velocità dell'aria, genera la cosiddetta circolazione, o flusso circolatorio.

Questa circolazione fa si che l'aria sotto l'ala rovesciata si muova più velocemente. Questo a sua volta produce bassa pressione in accordo col principio di Bernoulli.

Per tale motivo bisogna favorire la circolazione dell'aria se si vuole generare forza aerodinamica.

La resistenza aerodinamica

La resistenza è la forza aerodinamica che agisce in direzione parallela (e con verso opposto) alla direzione del moto. In altri termini la resistenza si oppone al moto, e dunque la velocità risultante di una macchina diminuirà con l'aumentare della resistenza.

La resistenza che un corpo incontra muovendosi in un fluido come l'aria dipende dalla sua forma, dalle sue dimensioni, dalla sua velocità, dalla temperatura dell'aria e dalla pressione atmosferica.

Il solo metodo per determinare accuratamente la resistenza aerodinamica consiste nel riprodurre in un tunnel a vento esattamente le condizioni di moto: pochi modellisti hanno però libero accesso ad apparecchiature del genere, e pochissimi sono in grado di usarle. Alcuni hanno tentato di costruirsene una, ma si sono messi su una strada difficile e dispendiosa, ottenendo quasi sempre risultati mediocri perché la loro camera in genere non imita bene il comportamento in moto a causa di una elevata turbolenza dell'aria.

L'unica cosa che resta da fare è arrangiarsi con risultati approssimativi.

E' inoltre importante notare che più un modello risulta leggero, tanto più elevata è l'accelerazione, tuttavia quanto più un modello è leggero, tanto prima è in grado di dissipare la sua quantità di moto per effetto della resistenza.

Se d'altro canto aumenta il peso, diventa minore l'accelerazione cosicché un modello non è in grado di raggiungere alte velocità. Tra queste due esigenze non esiste una soluzione ottimale, bisogna scendere a compromessi.

Possiamo affermare che la resistenza è proporzionale sia alla superficie che al quadrato della velocità, inoltre la resistenza risulterà tanto maggiore quanto maggiore sarà la superficie esposta al'aria in movimento.

La deportanza

La deportanza è la forza aerodinamica perpendicolare alla direzione del vento che investe il corpo.

Più precisamente se questa forza perpendicolare è orientata verso l'alto, come negli aerei, si parla di portanza, in caso contrario tale componente si definisce deportanza, e viene considerata nel contesto automobilistico.

La portanza si può verificare soffiando sulla superficie superiore di un foglio di carta (flusso dell'aria più veloce dunque meno pressione statica) posto in corrispondenza della propria bocca: esso si solleverà. Alla portanza si oppone la forza di gravità che attira tutti i corpi verso il centro della Terra e che si concentra in un punto del corpo: il baricentro. Per equilibrare la forza di gravità, la portanza deve essere applicata anch'essa nel baricentro.

La deportanza è invece una forza che schiaccia la macchina, e quindi anche i pneumatici, verso il basso senza gravare sul peso W dell'auto.

A bassa velocità il peso aerodinamico (o "carico aerodinamico") non esiste e il motore usa la sua potenza per spostare una macchina leggera. In curva il carico aerodinamico il non grava sul baricentro come invece accade aumentando il peso dell'auto: l'incremento del peso di un'auto tende infatti a spostare il punto di appoggio della macchina al di fuori della sua zona di aderenza, e ciò comporta una sua maggiore perdita di aderenza (o anche ribaltamento).

Tutto questo a patto però che la macchina sia proporzionalmente leggera alla pressione aerodinamica che subisce. In altri termini più la macchina è leggera e più subisce effetti visibili dalla pressione dell'aria.

Un'altro aspetto molto importante è che la deportanza è proporzionale alla velocità, più precisamente alla velocità relativa tra la macchina e l'aria. Quindi, a bassa velocità, la deportanza è trascurabile. Questo va ricordato quando si sistema una macchina per le curve lente (strette, a "S", ecc...): la deportanza non avrà molto effetto. Ad alta velocità, invece, la deportanza è in molti casi percepibile, soprattutto nelle curve molto veloci (larghe) e sui rettilinei.

Il flusso dell'aria sull'ala deve essere regolare e senza turbolenze, in caso contrario si perde la deportanza, sebbene basti una fessura sul bordo d'attacco dell'ala per canalizzare l'aria ed evitare questa situazione (stallo). E' importantissimo notare che lo stallo si produce ad una determinata incidenza qualunque sia la velocità, dunque è molto importante che si formi l'angolo d'incidenza tra il profilo alare e l'aria. Quanto alla resistenza anche essa ovviamente aumenta con l’aumentare dell’incidenza, per l’aumentare della superficie frontalmente esposta, dunque bisogna tenere conto anche di questo inconveniente.

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