Relazione fra Angolo di Incidenza e Velocita
Principi del Volo - Lezione 3 | Corso PPL NIBBIO IV
Due casi di studio
La relazione fra ANGOLO DI INCIDENZA e VELOCITA' puo essere studiata sotto due punti di vista:
| Caso | Descrizione |
|---|---|
| Caso 1 | ANGOLO DI INCIDENZA del velivolo nel suo avanzamento durante il volo |
| Caso 2 | ANGOLO DI INCIDENZA dell'elica nel suo movimento di rotazione nell'aria con varie velocita di avanzamento dell'aereo |
Il Caso 1 e stato studiato nelle sezioni precedenti. Vedremo ora qualcosa relativamente al Caso 2 (caso del moto dell'elica).
Formula della Risultante Aerodinamica
La FORZA AERODINAMICA e la somma vettoriale di PORTANZA e RESISTENZA.
Dal Secondo e Terzo Principio della Dinamica deriva che la REAZIONE AERODINAMICA si puo esprimere per mezzo della seguente formula:
Fa = Forza (Reazione/Risultante) Aerodinamica
rho = Densita del fluido
v = Velocita relativa corpo-fluido
S = Superficie max (sezione maestra)
Cf = Coefficiente di forma
Con i termini REAZIONE AERODINAMICA, RISULTANTE AERODINAMICA, FORZA AERODINAMICA si intende lo stesso concetto.
Il Coefficiente di Forma Cf
E' proprio il COEFFICIENTE DI FORMA che determina la direzione del vettore REAZIONE AERODINAMICA.
Esso dipende dalla geometria della semiala e dall'angolo di incidenza.
Il coefficiente di forma Cf viene determinato sperimentalmente nella galleria del vento, una volta misurata la Fa e noti densita, velocita e superficie maestra.
Coefficienti di Portanza e Resistenza
Analogamente alla formula della Reazione Aerodinamica, essendo PORTANZA e RESISTENZA le due componenti di Ra, le formule sono:
| Simbolo | Grandezza | Note |
|---|---|---|
| Cp | Coefficiente di portanza | Dipende da profilo e incidenza |
| Cr | Coefficiente di resistenza | Dipende da profilo e incidenza |
| rho | Densita | COSTANTE (in condizioni standard) |
| S | Superficie | COSTANTE (data dall'ala) |
La relazione Velocita-Incidenza
Osservando le formule, le grandezze DENSITA' e SUPERFICIE sono evidentemente costanti.
Per far variare PORTANZA e RESISTENZA si deve:
- Cambiare la VELOCITA'
- Oppure cambiare i COEFFICIENTI (Cp e Cr)
I coefficienti dipendono (oltre che dal profilo alare, che e invariabile) anche dall'ANGOLO DI INCIDENZA.
RELAZIONE FONDAMENTALE:
Esiste quindi una stretta relazione tra VELOCITA' e ANGOLO DI INCIDENZA per mantenere la portanza necessaria al volo.
Studio iniziale dell'Elica
Le pale di un'elica sono come due semiali, la cui forza, generata dal moto nel fluido, si chiama TRAZIONE.
Le differenze con un'ala sono:
- L'elica sposta una massa di fluido lungo l'asse longitudinale dell'aereo
- Le pale ruotano sull'asse della propria radice anziche procedere in direzione rettilinea
Ma il principio fisico di base e il medesimo!
La FORZA DI TRAZIONE viene generata dal moto relativo corpo-fluido esattamente come per la semiala, con lo stesso principio fisico, viene generata la PORTANZA.
Forma svergolata dell'elica
Un'elica non ha un profilo costante. Spostandosi dal mozzo fino alla periferia, variano molti parametri:
- Sezione
- Corda
- Angolo di incidenza
Perche l'elica e svergolata?
A parita di velocita angolare (rad/s) e frequenza di rotazione (RPM), l'elica incontra aria a velocita molto diverse lungo la sua apertura:
- Velocita BASSE vicino al mozzo
- Velocita ELEVATE alle estremita
Per avere una 'Forza di trazione' abbastanza costante in ogni sezione, alla variazione di velocita relativa corpo-fluido deve corrispondere una variazione dell'Angolo di incidenza.
Passo dell'Elica
Angolo di Calettamento
L'angolo di incidenza dell'elica (variabile dal mozzo all'estremita) prende anche il nome di ANGOLO DI CALETTAMENTO.
Per avere un valore unico di riferimento dell'Angolo di calettamento si prende quello relativo alla sezione presente a circa 7/10 della lunghezza della pala.
Definizione di Passo
L'angolo di calettamento, con l'aereo fermo al suolo, determina il PASSO DELL'ELICA, che e la distanza con la quale l'elica "avanza" ad ogni suo giro.
Passo Geometrico vs Passo Reale
| Tipo di Passo | Definizione | Altro nome |
|---|---|---|
| Passo Geometrico | Avanzamento teorico calcolato | Passo Teorico |
| Passo Reale | Avanzamento effettivo nell'aria | Avanzo |
Per il fatto che l'aria non e un materiale solido, sicuramente l'elica non "avanzera" nell'aria di quanto si puo calcolare in teoria. L'avanzamento reale sara inferiore.
Il Regresso
Passo Geometrico (teorico)
─────────────────────────────
Passo Reale (avanzo) | Regresso
──────────────────── | ─────────
Elica a Passo Fisso vs Variabile
Problema dell'elica a passo fisso:
L'elica a passo fisso non e molto versatile: ha una unica velocita operativa, sotto o sopra la quale non puo che far aumentare il Regresso.
In realta servirebbe:
| Fase di volo | Tipo di passo | Caratteristica |
|---|---|---|
| Decollo | PASSO CORTO | GRANDE TIRO a BASSA VELOCITA' di avanzamento |
| Crociera | PASSO LUNGO | TIRO MINORE ad ALTA VELOCITA' di avanzamento |
Per questo motivo esistono le eliche a passo variabile, che permettono di ottimizzare le prestazioni in ogni fase del volo.
Riepilogo
| Concetto | Descrizione |
|---|---|
| Fa = 1/2 rho v^2 S Cf | Formula Risultante Aerodinamica |
| Cf, Cp, Cr | Dipendono da profilo e angolo di incidenza |
| Trazione elica | Stesso principio della portanza dell'ala |
| Elica svergolata | Compensare diverse velocita mozzo-estremita |
| Angolo calettamento | Misurato a 7/10 della lunghezza pala |
| Passo geometrico | Avanzamento teorico per giro |
| Passo reale (avanzo) | Avanzamento effettivo per giro |
| Regresso | Passo geometrico - Passo reale |
| Passo corto | Per decollo (grande tiro, bassa velocita) |
| Passo lungo | Per crociera (minor tiro, alta velocita) |