Drag

Drag è la forza che resiste al movimento di un aereo nell’aria. Ci sono due tipi fondamentali: resistenza parassita e resistenza indotta. La prima è chiamata parassita perché non funziona in alcun modo per aiutare il volo, mentre la seconda, la resistenza indotta, è il risultato di un profilo aereo che sviluppa la portanza.

La resistenza parassita

La resistenza parassita comprende tutte le forze che lavorano per rallentare il movimento di un aereo. Come il termine parassita implica, è la resistenza che non è associata alla produzione di portanza. Questo include lo spostamento dell’aria da parte del velivolo, la turbolenza generata nel flusso d’aria, o un ostacolo dell’aria che si muove sulla superficie del velivolo e del profilo. Ci sono tre tipi di resistenza parassita: resistenza di forma, resistenza all’interferenza e attrito cutaneo.

Form Drag

Form drag è la parte di resistenza parassita generata dall’aereo a causa della sua forma e del flusso d’aria intorno ad esso. Gli esempi includono le coperture dei motori, le antenne e la forma aerodinamica di altri componenti. Quando l’aria deve separarsi per muoversi intorno a un aereo in movimento e ai suoi componenti, alla fine si ricongiunge dopo aver superato il corpo. Quanto velocemente e dolcemente si ricongiunge è rappresentativo della resistenza che crea, che richiede una forza aggiuntiva per superare.

Nota come la piastra piatta nella Figura 5-7 fa sì che l’aria vortichi intorno ai bordi fino a ricongiungersi a valle. La resistenza di forma è la più facile da ridurre quando si progetta un aereo. La soluzione è quella di snellire il maggior numero possibile di parti.

Interference Drag

Interference drag deriva dall’intersezione di correnti d’aria che crea correnti parassite, turbolenze, o limita il flusso d’aria regolare. Per esempio, l’intersezione dell’ala e della fusoliera alla radice dell’ala ha una significativa resistenza all’interferenza. L’aria che scorre intorno alla fusoliera si scontra con l’aria che scorre sopra l’ala, fondendosi in una corrente d’aria diversa dalle due correnti originali. La maggiore resistenza all’interferenza si osserva quando due superfici si incontrano ad angoli perpendicolari. Le carenature sono usate per ridurre questa tendenza. Se un caccia a reazione trasporta due serbatoi alari identici, la resistenza complessiva è maggiore della somma dei singoli serbatoi perché entrambi creano e generano resistenza da interferenza. Le carenature e la distanza tra le superfici di sollevamento e i componenti esterni (come le antenne radar appese alle ali) riducono la resistenza all’interferenza.

La resistenza all’attrito della pelle

La resistenza all’attrito della pelle è la resistenza aerodinamica dovuta al contatto dell’aria in movimento con la superficie di un aereo. Ogni superficie, non importa quanto apparentemente liscia, ha una superficie ruvida e irregolare se vista al microscopio. Le molecole d’aria, che entrano in contatto diretto con la superficie dell’ala, sono virtualmente immobili. Ogni strato di molecole sopra la superficie si muove leggermente più velocemente fino a quando le molecole si muovono alla velocità dell’aria che circonda l’aereo. Questa velocità è chiamata velocità del flusso libero. L’area tra l’ala e il livello di velocità del flusso libero è larga circa quanto una carta da gioco ed è chiamata strato limite. In cima allo strato limite, le molecole aumentano la velocità e si muovono alla stessa velocità delle molecole al di fuori dello strato limite. La velocità effettiva alla quale le molecole si muovono dipende dalla forma dell’ala, dalla viscosità (appiccicosità) dell’aria attraverso la quale l’ala o il profilo si muove, e dalla sua comprimibilità (quanto può essere compattata).

Il flusso d’aria all’esterno dello strato limite reagisce alla forma del bordo dello strato limite proprio come farebbe con la superficie fisica di un oggetto. Lo strato limite dà a qualsiasi oggetto una forma “effettiva” che di solito è leggermente diversa dalla forma fisica. Lo strato limite può anche separarsi dal corpo, creando così una forma effettiva molto diversa dalla forma fisica dell’oggetto. Questo cambiamento nella forma fisica dello strato limite causa una drastica diminuzione della portanza e un aumento della resistenza. Quando questo accade, il profilo aereo è in stallo.

Al fine di ridurre l’effetto della resistenza all’attrito della pelle, i progettisti di aerei utilizzano rivetti a filo e rimuovono qualsiasi irregolarità che possa sporgere sopra la superficie dell’ala. Inoltre, una finitura liscia e lucida aiuta la transizione dell’aria attraverso la superficie dell’ala. Poiché la sporcizia su un aereo disturba il libero flusso dell’aria e aumenta la resistenza, mantenere le superfici di un aereo pulite e incerate.

Trascinamento indotto

Il secondo tipo di resistenza di base è la resistenza indotta. È un fatto fisico stabilito che nessun sistema che fa lavoro in senso meccanico può essere efficiente al 100%. Ciò significa che qualunque sia la natura del sistema, il lavoro richiesto è ottenuto a spese di un certo lavoro aggiuntivo che viene dissipato o perso nel sistema. Più il sistema è efficiente, minore è questa perdita.

Nel volo livellato, le proprietà aerodinamiche di un’ala o di un rotore producono una portanza richiesta, ma questa può essere ottenuta solo a spese di una certa penalità. Il nome dato a questa penalità è la resistenza indotta. La resistenza indotta è inerente ogni volta che un profilo aereo produce portanza e, infatti, questo tipo di resistenza è inseparabile dalla produzione di portanza. Di conseguenza, è sempre presente se si produce portanza.

Un profilo (ala o pala di rotore) produce la forza di portanza sfruttando l’energia della corrente d’aria libera. Ogni volta che un profilo aereo produce portanza, la pressione sulla sua superficie inferiore è maggiore di quella sulla superficie superiore (principio di Bernoulli). Di conseguenza, l’aria tende a fluire dalla zona di alta pressione sotto la punta verso l’alto fino alla zona di bassa pressione sulla superficie superiore. In prossimità delle punte, c’è una tendenza per queste pressioni ad equalizzarsi, con conseguente flusso laterale verso l’esterno dalla parte inferiore alla superficie superiore. Questo flusso laterale imprime una velocità di rotazione all’aria sulle punte, creando vortici che si trascinano dietro il profilo.

Quando l’aereo è visto dalla coda, questi vortici circolano in senso antiorario intorno alla punta destra e in senso orario intorno alla punta sinistra. Quando l’aria (e i vortici) rotolano dal retro dell’ala, si inclinano verso il basso, il che è noto come downwash. La Figura 5-10 mostra la differenza del downwash in quota rispetto a quello vicino al suolo. Tenendo presente la direzione di rotazione di questi vortici, si può vedere che essi inducono un flusso d’aria verso l’alto oltre la punta e un flusso di downwash dietro il bordo d’uscita dell’ala. Questo downwash indotto non ha nulla in comune con il downwash necessario per produrre la portanza. È, infatti, la fonte della resistenza indotta.

Il downwash punta il vento relativo verso il basso, quindi più downwash hai, più il tuo vento relativo punta verso il basso. Questo è importante per un’ottima ragione: la portanza è sempre perpendicolare al vento relativo. Nella Figura 5-11, puoi vedere che quando hai meno downwash, il tuo vettore di portanza è più verticale, opponendosi alla gravità. E quando hai più downwash, il tuo vettore di portanza punta più indietro, causando una resistenza indotta. Oltre a questo, ci vuole energia per le tue ali per creare downwash e vortici, e questa energia crea resistenza aerodinamica.

Maggiore è la dimensione e la forza dei vortici e la conseguente componente di downwash sul flusso d’aria netto sopra il profilo, maggiore è l’effetto di resistenza indotta. Questo downwash sulla parte superiore del profilo all’estremità ha lo stesso effetto di piegare il vettore di portanza all’indietro; quindi, la portanza è leggermente a poppa della perpendicolare al vento relativo, creando una componente di portanza all’indietro. Questa è la resistenza indotta.

Al fine di creare una maggiore pressione negativa sulla parte superiore di un profilo, il profilo può essere inclinato ad un AOA più alto. Se l’AOA di un profilo simmetrico fosse zero, non ci sarebbe alcun differenziale di pressione e, di conseguenza, nessuna componente di downwash e nessuna resistenza indotta. In ogni caso, all’aumentare dell’AOA, la resistenza indotta aumenta proporzionalmente. Per dirlo in un altro modo: più bassa è la velocità dell’aria, maggiore è l’AOA necessaria per produrre una portanza pari al peso dell’aereo e, quindi, maggiore è la resistenza indotta. La quantità di resistenza indotta varia inversamente con il quadrato della velocità dell’aria.

Conversamente, la resistenza parassita aumenta come il quadrato della velocità dell’aria. Così, nello stato stazionario, come la velocità dell’aria diminuisce fino a quasi la velocità di stallo, la resistenza totale diventa maggiore, a causa principalmente del forte aumento della resistenza indotta. Allo stesso modo, quando l’aereo raggiunge la sua velocità di non superamento (VNE), la resistenza totale aumenta rapidamente a causa del forte aumento della resistenza parassita. Come si vede nella Figura 5-6, ad una data velocità all’aria, la resistenza totale è al suo minimo. Nel calcolare la massima autonomia dell’aereo, la spinta richiesta per superare la resistenza è al minimo se la resistenza è al minimo. La potenza minima e la massima resistenza si verificano in un punto diverso.

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