Aerodinamica - M. Bernardini
Asse di rollio
Asse di imbardata
Asse di beccheggio
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Principali superfici di controllo
• Alettoni: sono montati sul bordo posteriore di ogni ala vicino alle estremità delle ali e si muovono in direzioni opposte. Un alettone sollevato riduce la portanza su quell'ala e viceversa. Viene utilizzato nelle manovre di virata e permette una rotazione dell’aereo intorno all’asse di rollio.
• L'elevatore: è una parte mobile dello stabilizzatore orizzontale. Viene utilizzato durante le manovre di salita e permette una rotazione dell’aereo intorno all’asse di beccheggio.
• Il timone: è tipicamente montato sul bordo posteriore dello stabilizzatore verticale. Quando il pilota preme il pedale sinistro, il timone devia a sinistra. Premendo il pedale destro, il timone devia verso destra. La deviazione del timone a destra spinge la coda a sinistra permettendo una rotazione intorno all’asse di imbardata.
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Modello 3D di un aereo e di un’ala rastremata
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Profilo alare: definizione
Il profilo alare (airfoil) è la sezione di un'ala condotta secondo un piano verticale e parallelo alla mezzeria dell'ala stessa.
Anche le sezioni di una pala di turbomacchina o di un'elica propulsiva sono costruite secondo i principi dei profili alari.
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In un profilo si riconoscono i seguenti elementi geometrici caratteristici:
• Bordo d'attacco: il punto geometricamente più avanzato del profilo. • Bordo d'uscita: il punto geometricamente più arretrato del profilo. • Corda: la linea retta che unisce il bordo d'attacco con il bordo d'uscita. • Dorso: la linea che delimita superiormente il profilo. • Ventre: la linea che delimita inferiormente il profilo. • Spessore: la distanza tra dorso e ventre. • Linea di inarcamento medio: la linea che unisce i punti equidistanti tra dorso e ventre. • Incidenza geometrica o angolo d'attacco geometrico: angolo formato dalla corda con la
corrente indisturbata.
La prima distinzione in ampie categorie viene effettuata analizzando le curvature del dorso e del ventre:
• Concavo-convesso: sia il dorso che il ventre hanno la parte centrale della curvatura più in alto rispetto ai punti di ingresso e di uscita (relativamente alla parte 'piena' dell'ala, quindi il dorso appare convesso mentre il ventre appare concavo). Questo profilo era utilizzato negli aerei antichi ed è attualmente utilizzato per alcuni ultraleggeri.
• Piano-convesso: il dorso è come nel caso precedente, mentre il ventre è piatto. È un tipo di profilo non ottimale, ma economico. Attualmente è utilizzato in alcuni aerei da turismo.
• Biconvessi: dorso e ventre hanno curvature opposte. Se i profili, pur curvati in senso opposto, sono differenti, si parla di profili biconvessi asimmetrici, mentre, se hanno identica forma, si parla di profili simmetrici. I primi sono nella maggior parte degli aerei odierni, i secondi per gli aerei acrobatici (cosicché possano avere le stesse caratteristiche in volo rovescio), e sono universalmente utilizzati per i piani di coda.
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Profili alari normati
Sono oltre 1.800 i profili definiti in modo univoco ed utilizzati nella produzione dei velivoli di serie. I più comuni sono quelli definiti dall'organizzazione governativa americana NACA identificati con numeri a 4 o 5 cifre, che tutt'oggi sono uno standard per la produzione in serie di profili alari ad uso civile.
• NACA a 4 cifre (es. NACA 2415); • NACA a 5 cifre (es. NACA 23012); • Serie 1 (es. NACA 16-123); • Serie 6 (es. NACA 612-315); • Serie 7 (es. NACA 712A315); • Serie 8 (es. NACA 812A315);
I profili alari NACA sono particolari forme di profilo alare di ali di aeromobili studiati dalla National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) statunitense. La forma di un profilo alare NACA è descritta mediante la parola “NACA” seguita da un numero.
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NACA a 4 cifre
Le sezioni alari NACA a quattro cifre definiscono il profilo in questo modo: 1. la prima cifra indica la curvatura massima come percentuale della corda; 2. la seconda cifra fornisce la distanza del punto di massima curvatura dal bordo
d'attacco espressa come percentuale della corda e in multipli di 10; 3. le ultime due cifre descrivono il massimo spessore del profilo alare espresso come
percentuale della corda.
NACA 2412 Curvatura massima del 2%,
Curvatura massima situata al 40% della corda partendo dal bordo d'attacco
Spessore massimo del 12% della corda
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Equazione NACA a 4 cifre simmetrici
Il profilo NACA 0015 è simmetrico, in quanto le cifre 00 indicano che non vi è curvatura. Il 15 indica che lo spessore massimo è il 15% della sua lunghezza.
La formula per generare la forma di un profilo alare NACA 00xx, dove “xx” va sostituito con lo spessore massimo espresso come percentuale della corda, è:
• c è la lunghezza della corda; • x è la posizione lungo la corda da 0 a c; • yt è metà dello spessore ad un dato valore di x; • t è lo spessore massimo espresso come frazione della corda, in modo che
100 t sia uguale alle ultime due cifre del codice NACA.
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NACA a 5 cifre
La serie NACA a cinque cifre descrive forme di profilo alare più complesse:
1. la prima cifra, moltiplicata per 0,15, dà il coefficiente di portanza ottimale teorico di progetto con angolo di attacco ideale;
2. la seconda cifra, moltiplicata per 5, dà la posizione relativa, in percentuale, del punto di massima curvatura lungo la corda partendo dal bordo d'attacco;
3. la terza cifra indica se la curvatura è semplice (0) o riflessa (1); 4. la quarta e la quinta cifra forniscono lo spessore massimo del profilo come percentuale
della corda, come nei profili a 4 cifre.
NACA 23112 coefficiente di portanza di progetto di 0,3 (2×0,15)
punto di massima curvatura situato al 15% della corda (3×5)
curvatura riflessa (1)
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Modifiche NACA 4 e 5 cifre
I profili a quattro e cinque cifre possono essere modificati aggiungendo un codice a due cifre preceduto da un trattino, in questo modo:
1. la prima cifra descrive la rotondità del bordo d'attacco, con 0 che indica un bordo appuntito, 6 che indica un profilo identico all'originale e valori più grandi che ne aumentano la rotondità;
2. la seconda cifra indica la distanza del massimo spessore dal bordo d'attacco espressa come percentuale della corda e in multipli di 10.
Ad esempio, il codice NACA 1234-05 indica un profilo NACA 1234 con bordo d'attacco appuntito e punto di massimo spessore situato al 50% della corda partendo dal bordo d'attacco.
Inoltre, per descrivere più dettagliatamente il profilo alare, tutti i numeri possono essere espressi con decimali.
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Altre serie
• Serie 1: un metodo di progettazione dei profili alari usato negli anni 30 prevedeva che la forma del profilo fosse derivata matematicamente dalle caratteristiche di portanza desiderate. Prima di allora le forme dei profili venivano prima create e poi le loro caratteristiche aerodinamiche misurate nelle gallerie del vento.
• Serie 6: Si tratta di un miglioramento della serie 1 che si focalizza sul flusso in regime laminare.
• Serie 7: Ulteriori sviluppi nella massimizzazione del flusso laminare hanno portato alla necessità di descrivere separatamente le zone a bassa pressione sul ventre e sul dorso del profilo alare.