Downwash

Se sei mai stato vicino a un elicottero, saprai esattamente come sta nel cielo: crea un enorme “downwash” (tiraggio in movimento verso il basso) di aria che ne bilancia il peso. I rotori degli elicotteri sono molto simili ai profili degli aeroplani, ma ruotano in cerchio invece di muoversi in avanti in linea retta, come quelli su un aereo. Anche così, gli aeroplani creano il downwash esattamente allo stesso modo degli elicotteri – è solo che non ce ne accorgiamo. Il downwash non è così ovvio, ma è importante tanto quanto lo è con un elicottero.

Questo secondo aspetto del sollevamento è molto più facile da capire rispetto alle differenze di pressione, almeno per un fisico : secondo la terza legge del moto di Isaac Newton, se l’aria dà una forza verso l’alto a un aereo, l’aereo deve dare una forza verso il basso (uguale e opposta) all’aria. Quindi un aereo genera anche portanza usando le sue ali per spingere l’aria verso il basso dietro di esso. Ciò accade perché le ali non sono perfettamente orizzontali, come potresti supporre, ma sono leggermente inclinate all’indietro in modo che colpiscano l’aria con un angolo di attacco. Le ali angolate spingono verso il basso sia il flusso d’aria accelerato (dall’alto sopra di loro) che il flusso d’aria in movimento più lento (da sotto), e questo produce portanza. Poiché la parte superiore curva del profilo alare devia (spinge verso il basso) più aria rispetto al fondo più diritto (in altre parole, altera il percorso dell’aria in ingresso in modo molto più drammatico), produce una portanza significativamente maggiore.

Come le ali del profilo alare generano la portanza n. 2: La forma curva di un’ala crea un’area di bassa pressione sopra di essa (rossa), che genera portanza. La bassa pressione fa accelerare l’aria sopra l’ala, e la forma curva dell’ala (e la pressione dell’aria più alta ben al di sopra del flusso d’aria alterato) forza quell’aria in un potente downwash, spingendo anche l’aereo verso l’alto. Questa animazione mostra come diversi angoli di attacco (l’angolo tra l’ala e l’aria in entrata) cambiano la regione di bassa pressione sopra un’ala e la portanza che fa. Quando un’ala è piatta, la sua superficie superiore curva crea una modesta regione di bassa pressione e una modesta quantità di portanza (rossa). All’aumentare dell’angolo di attacco, anche la portanza aumenta drammaticamente, fino a un punto in cui l’aumento della resistenza fa stallo l’aereo (vedi sotto). Se incliniamo l’ala verso il basso, produciamo una pressione inferiore al di sotto, facendo cadere l’aereo. Basato su Aerodynamics, un film di addestramento del Dipartimento della Guerra di pubblico dominio del 1941.

Forse ti starai chiedendo perché l’aria scorre dietro un’ala. Perché, ad esempio, non colpisce la parte anteriore dell’ala, curva sopra la parte superiore e poi prosegue orizzontalmente? Perché c’è un downwash piuttosto che semplicemente un “controlavaggio” orizzontale? Ripensa alla nostra precedente discussione sulla pressione: un’ala abbassa la pressione dell’aria immediatamente sopra di essa. Più in alto, ben al di sopra dell’aereo, l’aria è ancora alla sua pressione normale, che è più alta dell’aria immediatamente sopra l’ala. Quindi l’aria a pressione normale ben al di sopra dell’ala spinge verso il basso sull’aria a pressione più bassa immediatamente sopra di essa, “spruzzando” efficacemente l’aria verso il basso e dietro l’ala in un controlavaggio. In altre parole, la differenza di pressione che un’ala crea e il flusso d’aria dietro di essa non sono due cose separate ma tutte parte integrante dello stesso effetto: un’ala a profilo alare angolata crea una differenza di pressione che fa un downwash, e questo produce portanza.

Ora possiamo vedere che le ali sono dispositivi progettati per spingere l’aria verso il basso, è “s facile capire perché aerei con ali piatte o simmetriche (o up gli aerei acrobatici ide-down) possono ancora volare in sicurezza. Finché le ali creano un flusso d’aria verso il basso, l’aereo sperimenterà una forza uguale e contraria – la portanza – che lo manterrà nell’aria. In altre parole, il pilota capovolto crea un particolare angolo di attacco che genera una pressione appena sufficiente sopra l’ala per mantenere l’aereo in aria.

Quanta portanza puoi fare?

In genere, l’aria che scorre sopra e sotto un’ala segue molto da vicino la curva della superficie dell’ala, proprio come potresti seguirla se ne traccessi il contorno con una penna. Ma all’aumentare dell’angolo di attacco, il flusso d’aria regolare dietro l’ala inizia a rompersi e diventare più turbolento e ciò riduce la portanza. Ad un certo angolo (generalmente intorno a circa 15 °, anche se varia), l’aria non scorre più uniformemente attorno all’ala. C’è un grande aumento della resistenza aerodinamica, una grande riduzione della portanza e si dice che l’aereo sia andato in stallo. Questo è un termine leggermente confuso perché i motori continuano a girare e l’aereo continua a volare; stallo significa semplicemente una perdita di portanza.

Foto: come un aereo si ferma: ecco un’ala di profilo alare nel vento tunnel di fronte all’aria in arrivo con un angolo di attacco ripido Si possono vedere linee d’aria piena di fumo che si avvicinano da destra e deviano attorno all’ala mentre si muovono verso sinistra.Normalmente, le linee del flusso d’aria seguirebbero molto da vicino la forma (profilo) dell’ala. Qui, a causa dell’angolo di attacco ripido, il flusso d’aria si è separato dietro l’ala e la turbolenza e la resistenza sono aumentate in modo significativo. Un aereo che vola in questo modo subirebbe un’improvvisa perdita di portanza, che chiamiamo “stallo”. Foto per gentile concessione del NASA Langley Research Center.

Gli aerei possono volare senza ali a forma di profilo alare; lo saprai se mai avessi costruito un aeroplano di carta, ed è stato dimostrato il 17 dicembre 1903 dai fratelli Wright. Nel loro brevetto originale “Macchina volante” (brevetto USA n. 821393), è chiaro che le ali leggermente inclinate (che chiamavano “aeroplani”) sono le parti chiave della loro invenzione. I loro “aeroplani” erano semplicemente pezzi di stoffa teso su un’intelaiatura di legno, non avevano un profilo a profilo alare. I Wright si resero conto che l’angolo di attacco è cruciale: “Nelle macchine volanti del personaggio a cui si riferisce questa invenzione l’apparato è supportato in aria a causa del contatto tra l’aria e la superficie inferiore di uno o più aeroplani, il contatto -superficie che si presenta con un piccolo angolo di incidenza rispetto all’aria. ” . Sebbene i Wright fossero brillanti scienziati sperimentali, è importante ricordare che mancavano della nostra moderna conoscenza dell’aerodinamica e di una piena comprensione di come funzionano esattamente le ali.

Non sorprende che più grandi sono le ali, maggiore è la portanza creano: raddoppiando l’area di un’ala (che è l’area piatta che vedi guardando dall’alto in basso) raddoppia sia la portanza che la resistenza che fa. Ecco perché gli aerei giganteschi (come il C-17 Globemaster nella nostra foto in alto) hanno ali gigantesche. Ma le ali piccole possono anche produrre una grande quantità di portanza se si muovono abbastanza velocemente. Per produrre una portanza extra al decollo, gli aerei hanno i lembi le ali possono estendersi per spingere più aria verso il basso. Sollevamento e resistenza variano con il quadrato della velocità, quindi se un aereo va due volte più veloce, rispetto all’aria in arrivo, le sue ali producono quattro volte più portanza (e resistenza). producono un’enorme quantità di portanza facendo ruotare le pale del rotore (essenzialmente ali sottili che ruotano in cerchio) molto rapidamente.

Vortici alari

Ora un aereo non lancia aria dietro in modo completamente pulito. (Potresti immaginare, ad esempio, qualcuno che spinge una grande cassa d’aria fuori dalla porta sul retro di un trasportatore militare in modo che cada verso il basso. Ma non funziona proprio così!) Ogni ala effettivamente invia aria verso il basso facendo un vortice rotante (una specie di mini tornado) immediatamente dietro di esso. È “un po ‘come quando” ti trovi su un binario in una stazione ferroviaria e un treno ad alta velocità scorre senza fermarsi, lasciando quello che sembra un enorme aspirapolvere dentro la sua scia. Con un aereo, il vortice ha una forma piuttosto complessa e la maggior parte di esso si muove verso il basso, ma non tutto. C’è un’enorme corrente d’aria che si muove verso il basso al centro, ma un po ‘d’aria in realtà vortica verso l’alto su entrambi i lati delle estremità alari , riducendo la portanza.

Foto: le leggi di Newton fanno volare gli aeroplani: un aereo genera una forza verso l’alto (portanza) spingendo l’aria verso il basso verso il suolo. Come mostrano queste foto, l’aria si muove verso il basso non in un flusso pulito e ordinato ma in un vortice. Tra le altre cose, il vortice influisce sulla distanza con cui un aereo può volare dietro un altro ed è particolarmente importante vicino agli aeroporti dove ci sono molti aerei in movimento tutto il tempo, creando schemi complessi di turbolenza nell’aria. Sinistra: il fumo colorato mostra i vortici alari prodotti da un vero aereo. Il fumo al centro si muove verso il basso, ma si muove verso l’alto oltre le estremità delle ali. A destra: come appare il vortice dal basso. Il fumo bianco mostra lo stesso effetto su scala più piccola in un test in galleria del vento. Entrambe le foto per gentile concessione della NASA Langley Research Centro.