Aerodinamica

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Introduzione

Aerodinamica Ramo della meccanica dei fluidi che studia le forze che agiscono su un corpo immerso nell'aria o in un fluido gassoso. Il moto di un aeroplano in aria, la forza del vento agente su una struttura o il funzionamento di un mulino a vento sono esempi tipici di problemi di aerodinamica.

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Principio di Bernoulli

Una delle leggi fondamentali che regolano il moto dei fluidi è il principio di Bernoulli, che deve la sua formulazione al matematico e fisico svizzero Daniel Bernoulli. Il principio mette in relazione un incremento della velocità della corrente in un fluido perfetto (incomprimibile e privo di attrito interno) con una diminuzione della pressione. Applicando il principio di Bernoulli si può comprendere lo sviluppo della portanza sul profilo alare di un velivolo in volo. Un'ala, o una superficie portante in generale, è infatti progettata in modo che l'aria scorra più velocemente sulla superficie superiore che su quella inferiore. La differenza di pressione che ne consegue, tra la faccia superiore e quella inferiore, dà luogo a una forza verticale diretta verso l'alto (portanza) che sostiene il velivolo durante il volo.

La velocità del vento che colpisce la parete di un edificio è pressoché nulla nelle sue immediate vicinanze. Secondo il principio di Bernoulli, questo implica una differenza di pressione tra l'aria che lambisce la parete e quella più lontana dall'edificio, con il conseguente insorgere di forze di cui si deve tener conto nella fase di progettazione dell'edificio.

Il principio di Bernoulli regola anche l'andamento della forza del vento che agisce su superfici di forma aerodinamica. La vela di una barca in movimento, ad esempio, è una tipica superficie aerodinamica. Anche le automobili da corsa vengono progettate in modo che l'aria fluisca rapidamente tra la macchina e il terreno così da ridurre la pressione sotto l'automobile, migliorando la tenuta di strada. Per incrementare questo effetto si aggiunge solitamente l'alettone, una superficie aerodinamica montata sul retro della macchina.

Un altro importante aspetto dell'aerodinamica è lo studio della resistenza che si oppone al moto in aria di un corpo solido. Tale forza può essere significativamente ridotta modificando in maniera opportuna la forma dell'oggetto: quando quest'ultima non è perfettamente aerodinamica, l'intensità della forza dissipativa aumenta in modo approssimato con il quadrato della velocità del corpo in moto nell'aria. L'energia richiesta per guidare un'automobile a velocità costanti e medio-alte serve principalmente per vincere la resistenza offerta dall'aria.

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Aerodinamica supersonica

L'aerodinamica supersonica, un importante ramo dell'aerodinamica, si occupa dei fenomeni che si verificano quando la velocità di un corpo solido in moto in un fluido supera la velocità del suono nello stesso mezzo. La velocità del suono nell'atmosfera non è costante ma dipende da diversi parametri, ad esempio dalle condizioni di umidità, di temperatura e di pressione, ed è per questo un fattore critico nelle equazioni aerodinamiche. Un modo di esprimere tale velocità è il cosiddetto numero di Mach, dal nome del fisico e filosofo austriaco Ernst Mach, dato dal rapporto tra la velocità del corpo nel mezzo di propagazione e la velocità del suono nello stesso mezzo e nelle stesse condizioni.

Così, a livello del mare e in condizioni standard di temperatura e di pressione, una velocità di 1220 km/h corrisponde a un numero di Mach pari a 1. La stessa velocità del velivolo nella stratosfera, dove le condizioni di densità, temperatura e pressione sono diverse, corrisponderebbe a un numero di Mach 1,16. Esprimendo la velocità in termini di numero di Mach, piuttosto che nelle unità di misura convenzionali, quali i km/h, si fornisce un quadro completo delle condizioni di volo.

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Onde d'urto

Lo studio delle traiettorie dei proiettili d'artiglieria per mezzo di osservazioni ottiche rivela la natura dei disturbi atmosferici incontrati in volo. A velocità inferiori a quelle del suono, cioè per numeri di Mach inferiori a 0,85, il solo disturbo atmosferico si manifesta in una turbolenza nella scia del proiettile. Nel range di velocità transoniche, tra Mach 0,85 e Mach 1,3, appare un'onda d'urto all'aumentare della velocità; soprattutto per i valori più bassi di questo intervallo, si sviluppa un'onda d'urto da ogni discontinuità del profilo del proiettile. Quando la velocità supera Mach 1, dalla punta e dalla coda del proiettile partono onde d'urto che si propagano generando due coni d'onda. L'angolo al vertice del cono è tanto minore, quanto maggiore è la velocità del proiettile. Così a Mach 1 l'onda d'urto generata dalla punta è praticamente piana; a Mach 1,4 (1712 km/h a livello del mare) l'apertura del cono è di circa 90°; e a Mach 2,48 (circa 3030 km/h), l'onda d'urto ha un'apertura di circa 50°. Questo campo di ricerca ha già reso possibile la progettazione di aerei ad alta velocità, in cui le ali formano angoli anche maggiori di 60° con il corpo dell'aereo, per evitare l'onda d'urto di punta del proiettile.