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Portanza aerodinamica, come nasce sulle ali degli aerei

La generazione di portanza, risultato matematico che ha dirette conseguenze fisiche

Categorie Aviazione · Come funziona

Il moto di un aeromobile è continuamente sottoposto a forze fisiche di natura diversa. Le più rilevanti si distinguono nel peso dell’aereo, nella resistenza, nella spinta dei motori e infine nella portanza aerodinamica. Quest’ultima permette di spingere l’aereo verso l’alto, contrastando il suo peso: il flusso d’aria che attraversa l’aereo in movimento, raggiungendo una determinata velocità, è un grado di sollevare l’aereo da terra. Quindi come fa a volare un aereo?

Portanza aerodinamica, una delle principali forze in un velivolo,Credits: Ansys engineerig simulation. Come fa a volare un aereo?
Portanza aerodinamica, una delle principali forze in un velivolo,Credits: Ansys engineerig simulation

Come fa a volare un aereo: che cos’è la portanza aerodinamica

La portanza aerodinamica si definisce come la componente della risultante delle forze aerodinamiche in direzione perpendicolare al flusso asintotico. Essa si genera da una differenza di distribuzione della pressione sul dorso e sul ventre della superficie aerodinamica. Dal punto di vista fisico la portanza è quindi conseguenza di un contributo di forze di pressione e delle forze viscose. Inoltre essa risulta proporzionale alla densità del fluido, alla superficie dell’ala (in pianta) e al quadrato della velocità asintotica.

L’importanza del coefficiente di pressione

La generazione di portanza ha dunque uno stretto legame tra la differenza di pressione che si forma sull’ala. Per questo si introduce il coefficiente di pressione Cp definito come:

Portanza aerodinamica e coefficiente di pressione. Come fa a volare un aereo?
Portanza aerodinamica e coefficiente di pressione

Un coefficiente di pressione positivo si avrà se la pressione locale risulterà maggiore della pressione asintotica. Il suo massimo valore , invece, sarà pari ad 1 e corrisponderà ai punti dell’ala in cui la velocità locale è nulla , punti chiamati di “ristagno”.

Le forze di pressioni: le principali protagoniste

Considerando l’ala di un velivolo, la cui sezione sul piano sia un profilo simmetrico ad incidenza geometrica nulla, la portanza aerodinamica è data quasi interamente dal contributo delle forze di pressione. Le forze viscose danno un contributo trascurabile. Le pressioni sul dorso generano una forza di portanza diretta verso il basso e quindi negativa, quelle sul ventre una forza di portanza verso l’alto cioè positiva. Per avere portanza positiva, le pressioni sul dorso devono essere minori di quelle sul ventre.

Bernoulli e la portanza aerodinamica

Con un incidenza geometrica non nulla del profilo aerodinamico, le pressioni sul dorso del profilo sono globalmente minori rispetto a quelle sul ventre. Di conseguenza, dal teorema di Bernoulli (con ipotesi di flusso irrotazionale), possiamo osservare una velocità del flusso d’aria che attraversa il dorso maggiore rispetto a quella che è presente nel ventre. Ma questo non spiega ancora perché si abbia come risultato una portanza positiva.

Portanza aerodinamica, nascita della portanza, Credits: Ansys engineerig simulation. Come fa a volare un aereo?
Portanza aerodinamica, nascita della portanza, Credits: Ansys engineerig simulation

Come fa a volare un aereo: la nascita della portanza aerodinamica

Considerando trascurabile lo spessore di strato limite attorno al profilo alare, la portanza è espressa attraverso il risultato fondamentale del teorema di Kutta-Joukowski:

Come fa a volare un aereo?
Portanza aerodinamica, gamma è la circuitazione di velocità su una qualunque linea chiusa contenente il corpo, Credits Aerospace, Mechanical & Mechatronic Engg. 2005 University of Sydney

Gamma, rappresenta la circuitazione di velocità su una qualunque linea chiusa contenente il corpo. Per dimostrare di avere una portanza positiva, dal punto di vista matematico, occorre dimostrare che la circuitazione gamma(c) scelta sia negativa.

Come fa a volare un aereo: la parte impulsiva del profilo alare

Se il profilo aerodinamico, e quindi l’ala dell’aereo, parte ad un certo istante, la sua vorticità (rotore della velocità nonché la densità superficiale di circolazione) risulterà ancora nulla. Dopo il transitorio, quasi simultaneamente, si forma vorticità alla parete e di conseguenza uno strato limite sul dorso e sul ventre del profilo. Lo strato limite sul ventre, quando giunge allo spigolo posteriore del profilo, si separa e la vorticità positiva (in rosso in figura) contenuta in esso viene rilasciata nel campo sotto forma di un vortice concentrato di segno positivo. Sul dorso, invece, si forma vorticità negativa (in blu).

Come nasce la portanza aerodinamica, vortice di partenza , in rosso, dopo lo spigolo del profilo, Credits Nasa. Come fa a volare un aereo?
Come nasce la portanza aerodinamica, vortice di partenza , in rosso, dopo lo spigolo del profilo, Credits Nasa

La causa del vortice inferiore

Questo accade perché lo strato limite inferiore, che contiene vorticità antioraria positiva, non è in grado di girare intorno allo spigolo del bordo di uscita senza separarsi. Il gradiente avverso di pressione elevatissimo presente tra il bordo di uscita e il punto di ristagno posteriore non permette quindi allo strato limite di circondare la regione finale dell’ala.

Col passare del tempo…

Dopo diversi istanti il vortice di partenza diffonde, acquista dimensioni maggiori e viene trasportato verso valle. Raggiungendo una situazione stazionaria, la vorticità nel campo si presenta quindi sia negli strati limite del corpo, nella successiva scia e nel vortice di partenza, distinguendosi nelle tre differenti regioni. La circuitazione gamma complessiva, sarà ora tripartita nelle suddette regioni.

Come nasce la portanza aerodinamica, vortice distribuito a valle di partenza, Credits Nasa. Come fa a volare un aereo?
Come nasce la portanza aerodinamica, vortice distribuito a valle di partenza, Credits Nasa

Come fa a volare un aereo: portanza aerodinamica come risultato di una dimostrazione matematica

Per il teorema di conservazione di vorticità , la somma delle tre circuitazione risulta uguale a 0 in particolare si dimostra che la circuitazione :

  • Del vortice di partenza è positiva perché contiene solo vorticità positiva.
  • Quella della velocità su una linea chiusa contenente la scia è 0 dato che globalmente la vorticità è nulla, anche per un corpo non simmetrico!
  • La circuitazione di velocità su una linea chiusa contenente il corpo risulta l’opposto di quella del vortice di partenza.
  • In conclusione la portanza (L=lift) risulta positiva.
La portanza aerodinamica risulta positiva. Come fa a volare un aereo?
La portanza aerodinamica risulta positiva

La curvatura del profilo dell’ala può influire sulla portanza?

Tra i diversi fattori che influiscono sul valore di portanza più o meno elevato, vi è la curvatura del profilo aerodinamico. A parità di spessore, numero di Reynolds ed incidenza geometrica, due profili con curvatura diversa possiedono un valore di portanza differente. Un profilo curvo avrà un coefficiente di portanza maggiore rispetto a un profilo simmetrico. Il fenomeno è riconducibile sempre alla pressione. Sul dorso del profilo curvo, si genera un picco d’aspirazione maggiore (in valore assoluto) rispetto a quello simmetrico. Il gradiente avverso di pressione sul dorso del primo profilo è maggiore rispetto a quello simmetrico.

Coefficiente di portanza aerodinamica in funzione dell'incidenza geometrica. Come fa a volare un aereo?
Coefficiente di portanza aerodinamica in funzione dell’incidenza geometrica

Portanza ed incidenza: conseguenze qualitative

Aumentando l’incidenza geometrica dei profili alari, definita come l’angolo formato tra la corda e la direzione del flusso asintotico dell’aria, si osserva un aumento lineare della portanza fino ad arrivare a un massimo seguito da una diminuzione.

Portanza aerodinamica e incidenza geometrica, lo strato limite varia a seconda dell’incidenza,Credits: Fundamental Mechanics of Fluids – I.G. Currie, 1974
  • Il punto di ristagno anteriore si sposta sul ventre più vicino al bordo d’uscita.
  • la soluzione di flusso irrotazionale con gamma=0 è caratterizzata da un punto di ristagno posteriore più a monte rispetto ad un’ incidenza minore.
  • Si ha separazione del vortice di partenza contenente vorticità positiva di un tratto più lungo.

Pro e contro della portanza aerodinamica

Come la resistenza, la portanza può essere un vantaggio o un ostacolo a seconda degli obiettivi di applicazione: su un aeroplano è essenziale perché il velivolo vinca la forza peso, nelle progettazioni automobilistiche è invece indesiderabile in quanto riduce la trazione delle ruote con la pavimentazione e rende la gestione dell’auto più difficile, in questi casi si cerca di generare deportanza.

FONTI VERIFICATE

  • Fundamental Mechanics of Fluids – I.G. Currie, 1974
  • Elements of Fluid Dynamics- Guido Buresti
  • Ansys , Basics of Fluid Dynamics

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