Modulo di formazione La Fisica del Volo: Un approccio ... · •Usare le leggi della dinamica per capire l’origine della portanza di un aeroplano •Eliminare le misconcezioni e

Progetto Lauree Scientifiche

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Teresa López AriasLaboratorio di Comunicazione delle Scienze

FisicheDipartimento di Fisica

Modulo di formazione La Fisica del Volo:

Un approccio didattico alla fluidodinamicaA.A. 2010-2011

• Perché no..?

• Rivalutazione della fluidodinamica dal punto di vista didattico e interdisciplinare

Perché la fluidodinamica?

Perché il volo?

Interdisciplinarietà• Biologia

• Medicina

• Meteorologia

• Geofisica

• Astrofisica

• Ingegneria navale, aeronautica e aerospaziale

• Ingegneria civile

• Energie alternative

• Nuove tecnologie

Argomenti trasversali• Dinamica: stabilità e controllo dell’aeroplano

• Termodinamica: propulsione (eliche e motori), cicli termodinamici, fisica dell’atmosfera

• Aerodinamica: energia, potenza, lavoro, rendimento, efficienza, consumo

• Strumenti di misura

• Biologia e geologia: flussi altamente viscosi

Perché il volo?

“Ero molto fiero di fargli sapere che volavo”

Il Piccolo Principe

Antoine di Saint-Exupéry (1900-1944)

“Nobody will fly for a thousand years!”

Wilbur Wright, 1901, in a fit of dispair

1783

1936

1892

dicembre 1968 dall’Apollo 8

• Mettere in evidenza il comportamento dei fluidi (liquidi e gassosi)

• Mostrare le modalità di interazione tra fluidi e solidi (ali incluse)

• Misurare le forze esercitate dai fluidi sui corpi solidi e viceversa (ali incluse)

• Usare le leggi della dinamica per capire l’origine della portanza di un aeroplano

• Eliminare le misconcezioni e false spiegazioni sull’origine della portanza

Obiettivi del percorso didattico sulla fisica del volo

far volare l’aeroplano (costruirlo)es.: I fratelli Wright

capire i meccanismi fisici alla base del volo (descriverlo)es.: Ludwig Prandtl

FluidodinamiciFisiciInsegnanti

IngegneriPilotaCostruttori

• Ipotesi del continuo

• La particella di fluido

• Linea di flusso

• Pressione totale, statica e dinamica

• Sforzo di taglio

• Viscosità e condizione di non-slittamento

• Strato limite (ipotesi di Prandtl)

• Regimi fluidodinamici: laminare e turbolento (numero di Reynolds)

• Similitudine fluidodinamica

“deformable stuff that fills a region”

• PRESSIONE

• VISCOSITA’

• PRINCIPIO DI AZIONE-REAZIONE

FORZA

E

RESISTENZA DELL’ARIA

(E DEI FLUIDI IN GENERALE)

La Fisica del Volo

• Un laboratorio sotto pressione

• Una questione viscosa

• Perché vola un aeroplano?

L’importanza della portanza

Il vento in galleria

CONCETTI CHIAVE DELLA DINAMICA

• Forze: portanza, resistenza, propulsione, peso

• III Principio della Dinamica

Alcuni esperimenti

Effetto Coanda

Viscosità

Aria deviata

(downwash)

Un laboratorio sotto pressione

Interazione fluido – solido:pressione e sforzo di taglio

(forza normale alla superficie)

(forza tangente alla superficie)

PRESSIONE

SFORZO DI TAGLIO

PRINCIPIO DI PASCALIn condizioni STATICHE la pressione agisce in uguale misura in tutte le direzioni

PRESSA IDRAULICA

Cosa succede se l’aria è in movimento?

pressione statica

pressione totale

pressione dinamica velocità aria

Come si misura la pressione in condizioni dinamiche? (nel vento)

Il tubo di Pitot

Henri Pitot, 1732

Ludwig Prandtl (1930)

Tubo di Pitot-Prandtl

Tubo di Pitot (1732): misura la pressione totale

Tubo di Pitot-Prandtl: misura la pressione dinamica

Ptotale = Pstatica + Pdinamica

Mis

Pressione di un fluido in movimento

• Statica (movimento aleatorio delle molecole d’aria)

• Dinamica

• Totale = Statica + Dinamica

2

2

1vPPPP SDStot

si misura portando il fluido a v = 0

Il punto dove il fluido raggiunge v = 0 si chiama

PUNTO DI RISTAGNO

Si assomiglia a qualcosa.. ?

Teorema di Bernoulli (originale)

D. Bernoulli

(1700-1782)

Bernoulli scopre il rapporto inverso tra pressione e velocità del flusso

ma non sembra apprezzare le implicazioni

Il concetto di pressione come

proprietà puntuale e che può

cambiare da punto a punto nel

flusso non c’è (arriverà con

Eulero)

L. Euler (1707-1783)

c

Va

dx

VdV

2

2

Ma allora Bernoulli.. va bene o no?

No, se si usa sempre e dappertutto come spiegazione

“semplice” di qualunque fenomeno fluidodinamico elementare

Sì, se le ipotesi di lavoro del teorema valgonoFluido inviscido

Fluido incomprimibile

Flusso stazionario

Flusso irrotazionale

THE PHYSICS TEACHER Vol. 41, January 2003

H. Cohen, D. Horvath

http://media.efluids.com/galleries/all?medium=640

http://media.efluids.com/galleries/all?medium=658

A

BPA = PB

vA

vB pressione totale

2

2

1vPPPP SDStot

D

C

vC

vD

Aria ferma

(v=0) V getto

Aria trascinata (v’)

Trascinamento di un fluido da parte di un altro (o lo stesso) fluido

che fluisce a velocità diversa (entrainment)

• http://pls2fv.wordpress.com

(blog sulla fisica del volo, lcosfi, unitn: descrizione esperimenti, filmati, foto, materiale bibliografico)

• http://www.diam.unige.it/~irro/lecture.html

(descrizione di alcuni elementi di fluidodinamica necessari per capire il volo degli aeroplani; introduce la circolazione; interessanti i diagrammi dei campi di pressione, velocità e forze intorno ad un profilo alare)

• http://media.efluids.com/galleries/all

(immagini e filmati di svariati fenomeni fluidodinamici)

• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/short.html

(sito educativo della NASA; presenta le tre spiegazioni scorrette più frequenti sull’origine della portanza)

• http://wright.nasa.gov/index.htm

(la storia dei Wright, simulazioni, filmati, foto)

• http://www.av8n.com/how/

(un pilota spiega il volo)

• http://www.terrycolon.com/1features/fly.html

(mette in luce le misconcenzioni e spiegazioni incorrette più frequenti)

• Multimedia Fluid Mechanics (DVD, Cambridge University Press)

• “A History of Aerodynamics”, John D. Anderson Jr. Cambridge University Press

• “What makes airplanes fly? History, Science, and Applications of Aerodynamics”, Peter P. Wegener, Springer-Verlag

• “Understanding Flight”, 2° Ed., David F. Anderson & Scott Eberhardt, McGraw Hill

• “The Simple Science of Flight, From Insects to Jumbo Jets”, Henk Tennekes, The MIT Press

• “Profili veloci: la resistenza al moto nei fluidi”

(Shape and Flow) Ascher H. Shapiro, Zanichelli

• “Aerodynamics, Selected Topics in the Light of their Historical Development”, Theodore Von Kármán, Dover Publications Inc.

• “Progress in Flying Machines”, Octave Chanute, Dover Publications Inc.

• “Il volo degli uccelli come base dell’arte del volo”, Otto Lilienthal, LoGisma Editore

• “How we invented the airplane: An Illustrated History”, Orville Wright

• “The Wright Brothers: How they invented the airplane”, Russell Freedman