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Come volano gli aerei? Effetto Bernoulli - Effetto Coandă - Angolo di incidenza

I moderni aerei di linea sono dei veri e propri capolavori di ingegneria. L’aereo di linea nacque nel primo dopoguerra, quando tutta l’esperienza tecnica acquisita nella corsa agli armamenti poté essere applicata alla costruzione di aerei appositamente dedicati al trasporto di persone.

Elencare ogni singolo componente di un aereo sembra una cosa impossibile.
I moderni aerei di linea infatti sono composti da una vastità di componenti:
meccanici, idraulici ed elettrici.

JAES, oltre ad essere il partner di riferimento per alcune delle più importanti aziende produttrici di aerei, è costantemente impegnata della fornitura di tutta quella ricambistica necessaria alla produzione, all’assemblaggio, alla riparazione e alla manutenzione dei velivoli. Come:

Ma vi siete mai chiesti come un oggetto così grande, composto da tutti questi componenti sia in grado di sollevarsi da terra e far volare centinaia di persone a migliaia di metri di altezza?

In questo video spiegheremo come vola un aereo e come i piloti sono in grado di controllare un aeroplano, in modo semplice ma rigoroso.

Per prima cosa, diamo un’occhiata più da vicino all’ala dell’aereo.

Notiamo che essa non è composta da un unico pezzo solido. Le ali e le code degli aeroplani hanno molte parti mobili.

La cosa più affascinante dell’ala è la sua forma molto particolare dettata della meccanica dei fluidi. Questa è la forma dell’ala nel caso in cui la dovessimo sezionare.

Notiamo che l’ala presenta una forma a goccia e quando l’aero inizia a muoversi in questa direzione, il flusso d’aria investirà l’ala seguendo queste traiettorie.

Ma in che modo l’ala si solleva a contatto con il flusso d’aria?

Innanzitutto è necessario dire che l’ala è posta in posizione leggermente inclinata. In questo modo l’angolo di incidenza, ovvero l’angolo formato dalla corda dell’ala con la direzione del flusso d’aria, è aumentato per favorire il sollevamento del velivolo.

Possiamo notare ora l’aria in entrata al punto A e l’aria in uscita al punto B. In questa situazione si è portati a credere che il flusso d’aria superiore sia più veloce perché deve percorrere più superfice alare rispetto al flusso inferiore. Questa differenza di velocità porta ad una differenza di pressione tra i due flussi, dove nel flusso veloce superiore ci sarà una pressione minore, mentre nel flusso lento inferiore ci sarà una pressione maggiore.

Questo fenomeno è in accordo con il principio di Bernoulli. È una tendenza comune infatti associare l’equazione di Bernoulli a questa situazione. Questa equazione descrive matematicamente l’effetto Bernoulli per cui in un fluido ideale (acqua o aria) su cui non viene applicato un lavoro, per ogni incremento della velocità di deriva si ha simultaneamente una diminuzione della pressione o un cambiamento nell’energia potenziale del fluido.

Questo principio è giustissimo, il problema non è questa legge fisica, è piuttosto come essa venga applicata al fenomeno in questione. Affermare che la differenza di velocità tra i due flussi d’aria è causata dal fatto che il flusso superiore debba percorrere più superfice alare per ricongiungersi con il flusso inferiore è sbagliato. Quindi il principio secondo il quale il flusso d’aria superiore sia più veloce di quello inferiore è vero, ma basato su una considerazione del tutto errata. Il flusso d’aria superiore infatti non è interessato a ricongiungersi con il flusso d’aria inferiore all’uscita del profilo alare. Ecco dunque che l’idea della differenza di pressione è spiegata con un fatto non vero.

Un’altra teoria descrive questo fenomeno non come una differenza di velocità ma come una differenza di densità tra il flusso d’aria superiore e inferiore. In altre parole, nel flusso d’aria superiore le molecole sarebbero più distanti le une dalle altre mentre percorrono la superfice alare.
E nel flusso d’aria inferiore, invece, le molecole sarebbero più vicine tra loro.

Le molecole del flusso inferiore quindi sarebbero in maggior numero rispetto a quelle del flusso superiore. Anche in questo caso il risultato è una differenza di pressione tra le due parti. La bassa pressione sulla parte superiore crea un effetto di risucchio verso l’alto che consente all’ala, e di conseguenza a tutto il velivolo, di sollevarsi.

Inoltre le numerose molecole del flusso inferiore creano un effetto di alta pressione contribuendo ulteriormente al sollevamento dell’ala.

La differenza di pressione sembrerebbe non essere l’unico fenomeno che contribuisce al sollevamento degli aerei. È facile chiedersi perché molecole d’aria quando colpiscono l’ala dell’aereo, invece di deviare la propria direzione, seguono l’intera superfice del profilo alare. Questo fenomeno è attribuito da molti all’EFFETTO COANDĂ, ovvero alla tendenza di un getto di fluido a seguire il contorno di una superficie vicina. Questo effetto è chiaramente osservabile mettendo un semplice cucchiaio sotto un getto d’acqua, o un comune vasetto di vetro.

Il fluido, o in questo caso il getto d’aria, muovendosi lungo la superficie alare provoca dell’attrito, che tende a farlo rallentare. Questo rallentamento coinvolge solo le molecole a diretto contatto con l’ala. L’aria, dunque, arrivando in direzione rettilinea, segue il profilo dell’ala ed esce verso il basso, essendo l’ala inclinata. Questo contribuisce al sollevamento dell’aereo.

Dopo queste considerazioni, quello che possiamo affermare con certezza è che maggiore è il flusso d’aria che investe l’ala, maggiore è la spinta verso l’alto. Per questo motivo gli aerei per decollare devono raggiungere velocità elevate da terra.
Un’idea per aumentare l’effetto di questa spinta ascendente è quello di modificare la forma delle ali aggiungendo degli elementi mobili come SLAT e FLAP, che aprendosi contribuiscono ad aumentare la deflessione e anche la superficie alare.

Quando SLAT e FLAP vengono attivati dal pilota vi è un aumento della velocità verticale indotta, chiamata anche downwash, questo permette un aumento della spinta di sollevamento.

Questi alettoni invece possono muoversi su e giù e per questo motivo la spinta di sollevamento può diminuire o aumentare rispettivamente.

Sulla coda dell’aereo è possibile notare due elementi principali, ovvero il TIMONE che muovendosi a destra e a sinistra permette il controllo della spinta orizzontale e gli EQUILIBRATORI che muovendosi in alto e in basso permettono il controllo della forza verticale generata sulla coda.

Grazie a questi elementi mobili, è possibile controllare la direzione dell’aereo, dalla fase di decollo a quella di atterraggio.

Vediamo nel dettaglio la fase di decollo: Per far sollevare un aereo da terra è necessario aumentare la spinta ascendente per contrastare la forza gravitazionale.

Questo è possibile aumentando la velocità del velivolo, e aumentando l’angolo di incidenza.
Quindi i piloti, con FLAP e SLAT in posizione, aumentano la spinta dei motori per far prendere velocità all’aereo, in questo modo aumenta la portanza e quindi la spinta di sollevamento.
Quando l’aereo entra nella fase di decollo vengono attivati gli equilibratori di coda verso l’alto.

La forza della coda inclina l’aereo e l’angolo di incidenza del profilo alare viene aumentato
Grazie a queste manovre la portanza è improvvisamente aumentata e causa il sollevamento del velivolo.

Finora abbiamo parlato della spinta del motore, ma non abbiamo ancora detto come il motore è in grado di generare la spinta
Gli aeroplani moderni usano tipi speciali di motori chiamati motori TURBOFAN, si tratta di turbine combinate che usano appunto l’effetto della reazione del turbogetto e delle ventole che forniscono la necessaria spinta.


Bruciando più carburante il pilota può ottenere più spinta.
Conclusa la fase di decollo vi è la FASE DI SALITA dell’aereo. Finché la spinta del motore è superiore alla resistenza, la velocità dell’aeroplano continuerà ad aumentare.

Quando l’aereo raggiunge l’altitudine stabilita per il volo, chiamata in gergo aeronautico: QUOTA DI CROCIERA, i piloti non effettueranno alcuna accelerazione o cambiamento di altitudine.

Durante la quota di crociera, infatti, la spinta dovrebbe essere esattamente uguale alla resistenza e il sollevamento dovrebbe essere esattamente uguale al peso del velivolo.

Ora l’aereo può percorrere il proprio tragitto.

Purtroppo il percorso delle rotte degli aerei non è sempre rettilineo, può capitare infatti di dover effettuare dei cambi di direzione.

In questo caso si potrebbe pensare che basti solo regolare il timone per farlo, ma non è proprio così.

Il timone produce una forza orizzontale che può far girare l’aereo.
Tuttavia questa manovra, da sola, non è il metodo migliore per far cambiare direzione all’aereo poiché provocherebbe un movimento repentino del velivolo che farebbe sobbalzare i passeggeri al suo interno.

Per affrontare una VIRATA i piloti, per prima cosa, fanno alzare l’ ALETTONE di un’ala e contemporaneamente abbassano l’ALETTONE dell’altra ala.

La differenza nella forza di sollevamento farà ruotare l’aereo.

Durante la VIRATA la spinta ascensionale non è verticale.

La componente orizzontale della spinta ascensionale può fornire la necessaria forza centrifuga per far virare l’aereo.

In questo modo il pilota può effettuare una virata di qualsiasi raggio a seconda dell’angolo di rotazione e della velocità dell’aeroplano.

Per l’atterraggio i piloti diminuiscono la spinta del motore e tengono abbassato il muso dell’aereo.

Mentre l’aereo perde velocità, si prepara per l’atterraggio. A questo punto SLAT e FLAP vengono nuovamente attivati per aumentare la RESISTENZA.

Per aumentare ulteriormente la resistenza, vengono attivati anche degli altri elementi mobili dell’ala chiamati GROUND SPOILER. Questi spoiler vengono aperti subito dopo l’atterraggio con lo scopo di far perdere portanza alle ali, ottenendo così una maggiore aderenza con il suolo

A questo punto i piloti usano un altro trucco per ridurre la distanza di arresto, ovvero, la SPINTA INVERSA.

I coperchi del motore si spalancano e l’aria che si supponeva dovesse andare indietro viene spinta con forza in avanti. Questo ovviamente genererà una spinta inversa per facilitare l’arresto dell’aereo.