Come vola un volo

Il

volo è un fenomeno che fa parte da tempo del mondo naturale. Gli uccelli volano non solo sbattendo le ali, ma planando con le ali spiegate per lunghe distanze. Il fumo, che è composto da minuscole particelle, può salire a migliaia di metri di altezza. Entrambi questi tipi di volo sono possibili grazie ai principi della scienza fisica. Allo stesso modo, gli aerei costruiti dall'uomo si basano su questi principi per superare la forza di gravità e raggiungere il volo.

I veicoli più leggeri dell'aria, come la mongolfiera, funzionano secondo un principio di galleggiamento. Galleggiano nell'aria proprio come le zattere galleggiano sull'acqua. La densità di una zattera è inferiore a quella dell'acqua, quindi galleggia. Sebbene la densità dell'acqua sia costante, la densità dell'aria diminuisce con l'altitudine. La densità dell'aria calda all'interno di un pallone è inferiore a quella dell'aria a livello del mare, quindi il pallone sale. Continuerà a salire fino a quando L'aria all'esterno del pallone è della stessa densità dell'aria all'interno. Le particelle di fumo salgono su un pennacchio di aria calda generato da un incendio. Quando l'aria si raffredda, le particelle ricadono sulla Terra.

Il volo più pesante dell'aria è reso possibile da un attento equilibrio di quattro forze fisiche: portanza, resistenza, peso e spinta. Per il volo, la portanza di un aereo deve bilanciare il suo peso e la sua spinta deve superare la sua resistenza. Un aereo usa le sue ali per la portanza e i suoi motori per la spinta. La resistenza è ridotta dalla forma liscia di un aereo e il suo peso è controllato dai materiali con cui è costruito.

Portanza

Affinché un aereo possa sollevarsi in aria, deve essere creata una forza che sia uguale o superiore alla forza di gravità. Questa forza è chiamata portanza. Nei veicoli più pesanti dell'aria, la portanza è creata dal flusso d'aria su un profilo alare. La forma di un profilo alare fa sì che l'aria fluisca più velocemente in alto che in basso. Il flusso d'aria veloce diminuisce il pressione atmosferica circostante. Poiché la pressione dell'aria è maggiore al di sotto del profilo alare che al di sopra, si crea una forza di portanza risultante. Per comprendere ulteriormente come un profilo alare crea portanza, è necessario utilizzare due importanti equazioni della scienza fisica.

Le variazioni di pressione dell'aria che scorre sono meglio rappresentate dall'equazione di Bernoulli. È stato derivato da Daniel Bernoulli, un matematico svizzero, per spiegare la variazione di pressione esercitata dai flussi d'acqua. L'equazione di Bernoulli è scritta come:

dove: P = pressione (forza esercitata divisa per l'area esercitata) rho = densità del fluido V = velocità dell'oggetto o del fluido in movimento

Per comprendere l'equazione di Bernoulli, è necessario prima comprendere un altro importante principio della scienza fisica, l'equazione di continuità. Afferma semplicemente che in un dato flusso, la densità (rho) moltiplicata per l'area della sezione trasversale (A) del flusso, moltiplicata per la velocità (V) è costante. Le l'equazione di continuità è scritta come:

dove: P = pressione V = velocità A = area della sezione trasversale del flusso

Utilizzando l'equazione di Bernoulli e l'equazione di continuità, si può dimostrare come l'aria che scorre su un profilo alare crei portanza. Immagina l'aria che scorre su un profilo alare fisso, come l'ala di un aereo. Molto più avanti del profilo alare, l'aria viaggia a una velocità uniforme. Per fluire oltre il profilo alare, però, deve "dividersi" in due, parte del flusso che viaggia in alto e parte che viaggia in basso.

La forma di un tipico profilo alare è asimmetrica: la sua superficie è maggiore in alto che in basso. Quando l'aria scorre sopra il profilo alare, viene spostata più dalla superficie superiore che da quella inferiore. Secondo la legge di continuità, questo spostamento, o perdita di area di flusso, deve portare ad un aumento della velocità. Considera un profilo alare in un tubo con acqua corrente. L'acqua scorrerà più velocemente in una sezione stretta del tubo. L'ampia area di La superficie superiore del profilo alare restringe il tubo più di quanto non faccia la superficie inferiore. Pertanto, l'acqua scorrerà più velocemente in alto che in basso. La velocità del flusso è aumentata in parte dalla superficie del profilo alare inferiore, ma considerevolmente inferiore rispetto al flusso in alto.

L'equazione di Bernoulli afferma che un aumento della velocità porta a una diminuzione della pressione. Pertanto, maggiore è la velocità del flusso, minore è la pressione. L'aria che scorre su un profilo alare diminuirà di pressione. La perdita di pressione sulla superficie superiore è maggiore di quella della superficie inferiore. Il risultato è una forza di pressione netta verso l'alto (positiva). Questa forza di pressione è la portanza.

Non esiste una forma predeterminata per un profilo alare, è progettato in base alla funzione dell'aeromobile per cui verrà utilizzato. Per facilitare il processo di progettazione, gli ingegneri utilizzano il coefficiente di portanza per misurare la quantità di portanza ottenuta da una particolare forma di profilo alare. La portanza è proporzionale a Pressione dinamica e area alare. L'equazione della portanza è scritta come:

dove S è l'area alare e la quantità in parentesi è la pressione dinamica. Nella progettazione di un'ala di un aereo, di solito è vantaggioso ottenere il coefficiente di portanza più alto possibile.

Ogni

corpo fisico che viene spinto attraverso l'aria sperimenterà resistenza al flusso d'aria. Questa resistenza è chiamata resistenza. La resistenza è il risultato di una serie di fenomeni fisici. La resistenza alla pressione è quella che si avverte quando si corre in una giornata ventosa. La pressione del vento davanti a te è maggiore della pressione della scia dietro di te. L'attrito della pelle, o resistenza viscosa, è ciò che i nuotatori possono sperimentare. Il flusso d'acqua lungo il corpo di un nuotatore crea una forza di attrito che rallenta il nuotatore. Una superficie ruvida indurrà una maggiore resistenza all'attrito rispetto a una superficie liscia. Per ridurre la resistenza viscosa, i nuotatori cercano di rendere le superfici di contatto il più lisce possibile il più possibile indossando cuffie da bagno e radendosi le gambe. Allo stesso modo, l'ala di un aereo è progettata per essere liscia per ridurre la resistenza.

Come la portanza, la resistenza è proporzionale alla pressione dinamica e all'area su cui agisce. Il coefficiente di resistenza, analogo al coefficiente di portanza, è una misura della quantità di pressione dinamica che viene convertita in resistenza. A differenza del coefficiente di portanza, tuttavia, gli ingegneri di solito progettano il coefficiente di resistenza aerodinamica in modo che sia il più basso possibile. Bassi coefficienti di resistenza aerodinamica sono desiderabili perché l'efficienza di un aereo aumenta al diminuire della resistenza.

Peso

Il peso di un aereo è un fattore limitante nella progettazione degli aeromobili. Un aereo pesante, o un aereo destinato a trasportare carichi pesanti, richiede più portanza di un aereo leggero. Potrebbe anche richiedere una maggiore spinta per accelerare a terra. Sui piccoli aerei anche la posizione del peso è importante. Un piccolo aereo deve essere opportunamente "bilanciato" per il volo, perché troppo peso nel La parte posteriore o anteriore può rendere instabile l'aereo. Il peso può essere calcolato utilizzando una forma della seconda legge di Newton:

dove W è il peso, m è la massa e g è l'accelerazione dovuta alla gravità sulla Terra. La propulsione

spinta

coinvolge una serie di principi della scienza fisica. La termodinamica, l'aerodinamica, la matematica dei fluidi e la fisica giocano tutti un ruolo. La spinta stessa è una forza che può essere meglio descritta dalla seconda legge di Newton. La forma di base di questa legge è:

che afferma che la forza (F) è uguale alla massa (m) moltiplicata per l'accelerazione (a). L'accelerazione è il tasso di variazione della velocità nel tempo. La spinta (T) si produce quindi accelerando una massa d'aria.

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