Questa forza di resistenza si verifica negli aeroplani a causa delle ali o di un corpo portante che reindirizza l'aria per causare portanza e nelle auto con ali a profilo alare che reindirizzano l'aria per causare deportanza. Samuel Langley notò che le piastre più piatte e con proporzioni maggiori avevano una maggiore portanza e una minore resistenza aerodinamica e furono introdotte nel 1902. Senza l'invenzione della qualità aerodinamica del velivolo, la progettazione di un aeroplano moderno sarebbe impossibile.
Sollevamento e spostamento
La forza aerodinamica totale che agisce su un corpo è generalmente considerata composta da due componenti: portanza e spostamento. Per definizione, la componente di forza parallela al controflusso è chiamata spostamento, mentre la componente perpendicolare al controflusso è chiamata portanza.
Queste basi di aerodinamica sono di grande importanza per l'analisi della qualità aerodinamica dell'ala. La portanza viene prodotta cambiando la direzione del flusso attorno all'ala. Modificarela direzione si traduce in un cambiamento di velocità (anche se non vi è alcun cambiamento di velocità, come si vede nel movimento circolare uniforme), che è l'accelerazione. Pertanto, per cambiare la direzione del flusso, è necessario applicare una forza al fluido. Questo è chiaramente visibile su qualsiasi aereo, basta guardare la rappresentazione schematica della qualità aerodinamica dell'An-2.
Ma non tutto è così semplice. Continuando il tema della qualità aerodinamica di un'ala, vale la pena notare che la creazione di un passaggio d'aria al di sotto di essa avviene a una pressione maggiore rispetto alla pressione dell'aria sopra di essa. Su un'ala a campata finita, questa differenza di pressione fa fluire l'aria dalla radice dell'ala della superficie inferiore alla base della sua superficie superiore. Questo flusso d'aria volante si combina con l'aria che scorre per causare un cambiamento di velocità e direzione che distorce il flusso d'aria e crea vortici lungo il bordo d'uscita dell'ala. I vortici creati sono instabili, si combinano rapidamente per creare vortici alari. I vortici risultanti cambiano la velocità e la direzione del flusso d'aria dietro il bordo d'uscita, deviandolo verso il basso e provocando così un lembo dietro l'ala. Da questo punto di vista, ad esempio, il velivolo MS-21 ha un elevato rapporto portanza/resistenza.
Controllo del flusso d'aria
I vortici a loro volta cambiano il flusso d'aria intorno all'ala, riducendo la capacità dell'ala di generare portanza, quindi richiede un angolo di attacco maggiore per la stessa portanza, che inclina la forza aerodinamica totale all'indietro e aumenta la componente di resistenza di quella forza. La deviazione angolare è trascurabileinfluisce sulla portanza. Tuttavia, c'è un aumento della resistenza pari al prodotto della portanza e dell'angolo a causa del quale devia. Poiché la deflessione è essa stessa una funzione della portanza, la resistenza aggiuntiva è proporzionale all'angolo di salita, che può essere chiaramente visto nell'aerodinamica dell'A320.
Esempi storici
Un'ala planetaria rettangolare crea più vibrazioni di un vortice rispetto a un'ala conica o ellittica, motivo per cui molte ali moderne sono rastremate per migliorare il rapporto portanza/resistenza. Tuttavia, la cellula ellittica è più efficiente poiché il lavaggio indotto (e quindi l'angolo di attacco effettivo) è costante per l'intera apertura delle ali. A causa di complicazioni di produzione, pochi aerei hanno questa forma in pianta, gli esempi più famosi sono lo Spitfire della seconda guerra mondiale e il Thunderbolt. Le ali affusolate con bordi di attacco e di uscita diritti possono avvicinarsi a una distribuzione di portanza ellittica. Come regola generale, le ali diritte e non affusolate producono il 5% e le ali affusolate producono l'1-2% in più di resistenza indotta rispetto a un'ala ellittica. Pertanto, hanno una migliore qualità aerodinamica.
Proporzionalità
Un'ala ad alto allungamento produrrà meno resistenza indotta rispetto a un'ala con basso allungamento perché c'è meno disturbo d'aria sulla punta di un'ala più lunga e più sottile. Pertanto, l'indottola resistenza può essere inversamente proporzionale alla proporzionalità, non importa quanto possa sembrare paradossale. La distribuzione della portanza può anche essere modificata lavando, ruotando l'ala per ridurre la caduta verso le ali e cambiando il profilo alare vicino alle ali. Ciò consente di ottenere più portanza più vicino alla radice dell'ala e meno all'ala, il che porta a una diminuzione della forza dei vortici alari e, di conseguenza, a un miglioramento della qualità aerodinamica del velivolo.
Nella storia del design aeronautico
Su alcuni dei primi velivoli le pinne erano montate sulla punta delle code. Gli aerei successivi hanno una forma dell'ala diversa per ridurre l'intensità dei vortici e ottenere il massimo rapporto portanza/resistenza.
I serbatoi di carburante della girante sul tetto possono anche fornire alcuni vantaggi impedendo il flusso d'aria caotico attorno all'ala. Ora sono usati in molti aerei. La qualità aerodinamica del DC-10 è stata giustamente considerata rivoluzionaria in questo senso. Tuttavia, il mercato dell'aviazione moderna è stato a lungo rifornito di modelli molto più avanzati.
Formula drag-to-drag: spiegata in termini semplici
Per calcolare la resistenza totale è necessario tenere conto della cosiddetta resistenza parassitaria. Poiché la resistenza indotta è inversamente proporzionale al quadrato della velocità relativa (a una data portanza), mentre la resistenza parassita è direttamente proporzionale ad essa, la curva di resistenza complessiva mostra la velocità minima. Aereo,volando a tale velocità, opera con ottime qualità aerodinamiche. Secondo le equazioni di cui sopra, la velocità di resistenza minima si verifica ad una velocità alla quale la resistenza indotta è uguale alla resistenza parassita. Questa è la velocità alla quale viene raggiunto l'angolo di slittamento ottimale per i velivoli in idle. Per non essere infondato, si consideri la formula sull'esempio di un aeromobile:
Anche la continuazione della formula è piuttosto curiosa (nella foto sotto): volare più in alto, dove l'aria è più rarefatta, aumenterà la velocità alla quale si verifica la minima resistenza aerodinamica, e quindi consentirà viaggi più veloci a parità di carburante.
Se un aereo vola alla velocità massima consentita, l' altitudine alla quale la densità dell'aria gli fornirà la migliore qualità aerodinamica. L' altitudine ottimale alla massima velocità e la velocità ottimale alla massima altitudine possono variare durante il volo.
Resistenza
La velocità per la massima resistenza (cioè il tempo in aria) è la velocità per il consumo minimo di carburante e la velocità inferiore per la massima autonomia. Il consumo di carburante è calcolato come prodotto della potenza richiesta e del consumo specifico di carburante per motore (consumo di carburante per unità di potenza). La potenza richiesta è uguale al tempo di trascinamento.
Cronologia
Lo sviluppo dell'aerodinamica moderna iniziò solo nel XVIIsecoli, ma le forze aerodinamiche sono state utilizzate dall'uomo per migliaia di anni in barche a vela e mulini a vento, e immagini e storie di volo compaiono in tutti i documenti storici e le opere d'arte, come l'antica leggenda greca di Icaro e Dedalo. I concetti fondamentali di continuum, resistenza e gradienti di pressione compaiono nell'opera di Aristotele e Archimede.
Nel 1726, Sir Isaac Newton divenne la prima persona a sviluppare la teoria della resistenza dell'aria, rendendola uno dei primi argomenti sulle qualità aerodinamiche. Il matematico olandese-svizzero Daniel Bernoulli scrisse un trattato nel 1738 intitolato Hydrodynamica in cui descriveva la relazione fondamentale tra pressione, densità e velocità del flusso per un flusso incomprimibile, noto oggi come principio di Bernoulli, che fornisce un metodo per calcolare la portanza aerodinamica. Nel 1757 Leonhard Euler pubblicò le equazioni di Eulero più generali, che possono essere applicate sia ai flussi comprimibili che a quelli incomprimibili. Le equazioni di Eulero furono estese per includere gli effetti della viscosità nella prima metà del 1800, dando origine alle equazioni di Navier-Stokes. Le prestazioni aerodinamiche/la qualità aerodinamica della polare sono state scoperte più o meno nello stesso periodo.
Sulla base di questi eventi e delle ricerche condotte nella loro galleria del vento, i fratelli Wright pilotarono il primo aereo il 17 dicembre 1903.
Tipi di aerodinamica
I problemi aerodinamici sono classificati in base alle condizioni del flusso o alle proprietà del flusso, comprese caratteristiche come velocità, comprimibilità e viscosità. Sono spesso divisi in due tipi:
- L'aerodinamica esterna è lo studio del flusso attorno a oggetti solidi di varie forme. Esempi di aerodinamica esterna sono la valutazione della portanza e della resistenza aerodinamica di un aeromobile, o le onde d'urto che si formano davanti al muso di un missile.
- L'aerodinamica interna è lo studio del flusso attraverso i passaggi negli oggetti solidi. Ad esempio, l'aerodinamica interna copre lo studio del flusso d'aria attraverso un motore a reazione o attraverso un camino dell'aria condizionata.
I problemi aerodinamici possono anche essere classificati in base a velocità del flusso inferiori o vicine alla velocità del suono.
Il problema si chiama:
- subsonico, se tutte le velocità nel problema sono inferiori alla velocità del suono;
- transonico se ci sono velocità sia al di sotto che al di sopra della velocità del suono (di solito quando la velocità caratteristica è approssimativamente uguale alla velocità del suono);
- supersonico, quando la velocità caratteristica del flusso è maggiore della velocità del suono;
- ipersonico, quando la velocità del flusso è molto maggiore della velocità del suono.
Gli aerodinamici non sono d'accordo sull'esatta definizione di flusso ipersonico.
L'effetto della viscosità sul flusso determina una terza classificazione. Alcuni problemi possono avere solo effetti viscosi molto piccoli, nel qual caso la viscosità può essere considerata trascurabile. Le approssimazioni a questi problemi sono chiamate viscosecorrenti. I flussi per i quali la viscosità non può essere trascurata sono detti flussi viscosi.
Comprimibilità
Un flusso incomprimibile è un flusso in cui la densità è costante sia nel tempo che nello spazio. Sebbene tutti i fluidi reali siano comprimibili, il flusso è spesso approssimato come incomprimibile se l'effetto di una variazione di densità provoca solo piccole variazioni nei risultati calcolati. Ciò è più probabile quando la portata è ben al di sotto della velocità del suono. Gli effetti della comprimibilità sono più significativi a velocità vicine o superiori alla velocità del suono. Il numero di Mach viene utilizzato per valutare la possibilità di incomprimibilità, altrimenti devono essere inclusi gli effetti di compressibilità.
Secondo la teoria dell'aerodinamica, il flusso è considerato comprimibile se la densità cambia lungo la linea di flusso. Ciò significa che, a differenza di un flusso incomprimibile, vengono prese in considerazione le variazioni di densità. In generale, questo è il caso quando il numero di Mach di una parte o di tutto il flusso supera 0,3. Il valore di Mach di 0,3 è piuttosto arbitrario, ma viene utilizzato perché un flusso di gas al di sotto di questo valore mostra variazioni di densità inferiori al 5%. Inoltre, la variazione di densità massima del 5% si verifica nel punto di stagnazione (il punto sull'oggetto in cui la velocità del flusso è zero), mentre la densità attorno al resto dell'oggetto sarà molto più bassa. I flussi transonici, supersonici e ipersonici sono tutti comprimibili.
Conclusione
L'aerodinamica è oggi una delle scienze più importanti al mondo. Lei ci forniscecostruire aerei, navi, automobili e navette comiche di qualità. Svolge un ruolo enorme nello sviluppo di moderni tipi di armi: missili balistici, booster, siluri e droni. Tutto questo sarebbe impossibile se non fosse per i moderni concetti avanzati di qualità aerodinamica.
Così, le idee sull'argomento dell'articolo sono cambiate da fantasie belle, ma ingenue su Icarus, a velivoli funzionali e davvero funzionanti sorti all'inizio del secolo scorso. Oggi non possiamo immaginare le nostre vite senza automobili, navi e aerei, e questi veicoli continuano a migliorare con nuove scoperte nell'aerodinamica.
Le qualità aerodinamiche degli alianti furono una vera svolta ai loro tempi. In un primo momento, tutte le scoperte in questo campo sono state fatte per mezzo di calcoli teorici astratti, a volte distaccati dalla re altà, che sono stati effettuati da matematici francesi e tedeschi nei loro laboratori. Successivamente, tutte le loro formule furono utilizzate per altri scopi più fantastici (secondo gli standard del 18° secolo), come calcolare la forma e la velocità ideali dei futuri velivoli. Nel 19 ° secolo, questi dispositivi iniziarono a essere costruiti in grandi quantità, a partire da alianti e dirigibili, gli europei passarono gradualmente alla costruzione di aerei. Questi ultimi furono inizialmente utilizzati esclusivamente per scopi militari. Gli assi della prima guerra mondiale hanno mostrato quanto sia importante la questione del dominio nell'aria per qualsiasi paese e gli ingegneri del periodo tra le due guerre hanno scoperto che tali velivoli sono efficaci non solo per i militari, ma anche per i civili.obiettivi. Nel tempo, l'aviazione civile è entrata saldamente nelle nostre vite e oggi nessuno Stato può farne a meno.
