Stallo nell’aereo

Teoria
Q = P = ½ ρ S V² Cp
Come si evince dalla formula, per ottenere l’equilibrio tra peso Q e portanza P, al diminuire della velocità V deve aumentare il coefficiente di portanza Cp.Dal diagramma sopra, Cp aumenta con l’aumentare dell’angolo di attacco a o d’incidenza.
Quando si raggiunge l’angolo d’incidenza critico, il Cp è massimo e la velocità corrisponde a quella di stallo o velocità minima di sostentamento.
Come si manifesta lo stalloOsservando la figura sopra si nota che nel volo normale, l’aria che scorre sulla superficie superiore ed inferiore dell’ala è aderente al profilo alare e scorre in modo regolare.
Mano a mano che la velocità si abbassa, l’aereo per creare portanza, deve volare con angoli d’incidenza via via più alti, cioè con il muso puntato verso l’alto.Questo flusso d’aria crea un’alta depressione sull’estradosso ed un’alta pressione sul ventre dell’ala, pressioni che generano la portanza.
Ad incidenze molto elevate i filetti fluidi che scorrono sulla superficie superiore dell’ala cominciano ad essere instabili ed irregolari e tendono a staccarsi dall’ala, il gradiente di pressione sull’estradosso s’inverte e di conseguenza la portanza crolla.
Nel caso di manovre molto brusche la variazione dell’angolo d’attacco del profilo alare può essere così elevata, che l’aereo supera i valori dell’incidenza critica ed entra in stallo.
Lo stallo ad alte velocità è molto più pericoloso dello stallo a basse velocità, in quanto si possono superare i fattori di carico limite (G) consentiti dalla struttura del velivolo.
In conclusione ogni qualvolta che l’aereo supera l’angolo d’incidenza critica, indipendentemente dalla velocità, l’aereo entra in stallo.
Pilotaggio
Allo stallo si può rimediare (a meno che si sia a quote basse), facendo recuperare  velocità all’aereo durante la caduta, in modo che i filetti d’aria ritornino a scorrere regolari sulla parte superiore dell’ala e riportando l’aereo in volo uniforme.
Può accadere che una semiala raggiunga la condizione di stallo prima dell’altra, creando una asimmetria nello stallo, per cui il velivolo tende ad entrare in vite. In questo caso, per ripristinare la posizione corretta si utilizza l’effetto indotto del timone dando piede dal lato contrario alla caduta e cercando di mantenere la pallina del virosbandometro al centro.
Soluzioni costruttive
Ipersostentatori
Per migliorare le prestazioni di un profilo alare nei confronti dello stallo, è necessario ritardare l’avanzamento del punto di separazione del flusso d’aria sulla superficie superiore dell’ala; questo si ottiene con gli ipersostentatori.
Gli ipersostentatori vengono estesi nella fase di decollo ed atterraggio e non in quella di volo, in quanto generano molta resistenza.Svergolamento
Per impedire che lo stallo inizi all’estremità alare, dove sono posizionati gli alettoni, si svergola l’ala, dotandola di un angolo di calettamento maggiore vicino alla fusoliera e minore alle sue estremità.In questo modo lo stallo inizia alla radice dell’ala e poi si propaga verso l’estremità, per cui gli alettoni funzionano anche in condizioni critiche.
Il distacco graduale del flusso d’aria genera dei segni premonitori, come vibrazioni dell’aereo e la perdita di efficienza dei comandi.

Aerodinamica: EFFETTO SUOLO

Questo fenomeno si manifesta quando l’aereo vola ad una distanza dal terreno pari all’apertura alare ed è  composto da due fenomeni:

• Riduzione della resistenza indottaQuando un’ala è prossima al suolo i vortici generati dalla resistenza indotta, a causa dell’aria che  si comprime sul terreno, si allargano producendo un aumento fittizio dell’apertura alare.
  La resistenza indotta è:
  Ri = ½ Cri V² ρ S
  Cri=Cp²/πλ
  λ = L/lm
  Ri  = resistenza indotta
  V  =  velocità relativa
  ρ  =  densità
  Cri = coefficiente di resistenza indotta
  Cp = coefficiente di portanza
  λ  = allungamento
  L   = apertura alare
  lm = corda media
  Concludendo: essendo la Ri inversamente proporzionale a λ, il suo valore diminuisce in prossimità del terreno sino al suo dimezzamento, quando l’ala ha una distanza dal suolo pari al 10% della sua apertura.
• Aumento della portanza
  Questo effetto è dovuto al cuscino d’aria che si crea sotto l’ala a livello del suolo, il quale produce un aumento di pressione.
  Colore:
  • rosso: alta pressione
  • verde: pressione atmosferica
  • blu: depressione.

Atterraggio
In termini pratici, a causa dell’effetto suolo, la traiettoria dell’atterraggio si allunga rispetto a quella teorica.

LA PORTANZA in soldoni

La portanza è la forza, generata dalle ali, che è in grado di sollevare e di far mantenere in volo l’aereo, superando ed eguagliando la forza peso.
Simboli
α = Angolo incidenza geometrica = angolo formato dalla corda alare e la direzione della corrente fluida
Corda alare = segmento immaginario che unisce il bordo d’attacco al bordo d’uscita di un profilo alare
ρ = densità dell’aria
S = superficie alare
V = Velocità
Cp = Coefficiente di portanza (dipende dal profilo alare e dall’angolo d’incidenza)
Leggi fisiche
Continuità
La portata di un fluido incomprimibile attraverso un tubo di sezione variabile resta costante. Significa se il condotto si stringe la velocità del fluido aumenta.
Principio di Bernoulli
Esprime la legge di conservazione dell’energia, argomento trattato nell’articolo ANCE per strumenti a fiato
Spiegazione
Come si evince dalla figura sotto, la vena fluida che scorre sul dorso, è costretta a passare attraverso sezioni decrescenti; questo provoca l’accelerazione della corrente (legge di continuità).Se il profilo possiede un angolo d’incidenza, la velocità della vena fluida sul dorso aumenta ulteriormente, mentre la corrente sul ventre diminuisce, in pratica sull’estradosso l’aria scorre più velocemente rispetto all’intradosso.A questo punto subentra il principio di Bernoulli, che, nel rispetto della legge di conservazione dell’energia, ad un aumento di velocità fa corrispondere una diminuzione di pressione e viceversa.
In conclusione l’ala risulta in depressione sul dorso ed in pressione sul ventre.Facendo la sommatoria delle forze complessive che si creano sull’ala si ottiene la PORTANZA.Il valore totale della portanza è pari a circa 1/3 sul ventre e di 2/3 sul dorso, in pratica il velivolo viene prevalentemente risucchiato verso l’alto.
La sua direzione è sempre ortogonale a quella del moto.
Formula Portanza
P = ½ ρ S V² Cp

RESISTENZA AERODINAMICA

Simboli
kg  = kg massa
ρ   = densità (kg/m³)
δ     = spessore strato limite
V     = velocità (m/s)
x     = distanza lungo la superficie
μ     = coefficiente di viscosità dinamica o assoluta (N*s/m²)
S     = Superficie
Cr   = Coefficiente di resistenza aerodinamica
Cra = Coefficiente di resistenza d’attrito
Crf = Coefficiente di resistenza di forma
INTRODUZIONE
Filetti fluidi
Masse di fluido di piccolissima sezione che scorrono gli uni sugli altri.
Vena fluida
Insieme di infiniti filetti fluidi che scorrono all’interno di un tubo di flusso.
Tubo di flusso
Superficie tubolare che non viene attraversata dal fluido.
Strato limite
Consideriamo una superficie piana su cui scorre, parallelamente ad essa dell’aria. Per effetto dell’attrito si forma a contatto con la lastra un sottile strato, dove la velocità dell’aria varia da 0 al suo valore reale.
Questo spiega la presenza di polvere sulle superfici dell’auto.
Al di fuori dello strato limite il l’aria è considerata non viscosa (priva di attrito).
I fattori che influenzano lo strato limite sono la:

• Densità, ρ> → δ>
• Velocità, V> → δ<
• Distanza lungo la superficie, x> → δ>
• Viscosità, μ> → δ>

Il moto del fluido segue le seguenti fasi:

1. Laminare
   I filetti fluidi scorrono paralleli tra loro. Questo comporta:
   • piccolo spessore dello strato limite
   • basse velocità ed energia vicino alla superficie
   • graduale variazione della velocità
   • basso attrito superficiale
   • scarsa capacità di ritardare la separazione della vena fluida dall’oggetto
2. Transizione
   Man mano che l’aria procede sulla superficie perde energia, i filetti fluidi esercitano tra loro un’azione frenante, a causa delle forze tangenziali variabili provocate dall’attrito. Il tutto provoca una rotazione del flusso d’aria.
3. Turbolento
   Infine si produce un moto intricato dell’aria, con notevole scambio di energia. Questo comporta:
   • alto spessore dello strato limite
   • alte velocità ed energia vicino alla superficie
   • alta variazione della velocità vicino alla superficie
   • alto attrito superficiale
   • buona capacità di ritardare la separazione della vena fluida dall’oggetto

Numero di Reynolds
Il numero adimensionale di Reynolds determina il tipo di moto in un fluido: flusso laminare o turbolento.L = lunghezza caratteristica (nel caso dell’ala è la corda media alare)
Fisicamente è il rapporto tra le forze che spingono in avanti il fluido Fi (d’inerzia) e quelle che tendono a rallentarlo Fa (viscose o attrito).   
coefficiente di resistenza di una sfera in funzione del numero di Reynolds

• Re< → attrito>
• Re> → attrito< (ma c’è comunque resistenza)

Se si conduce un’esperienza aerodinamica allo stesso numero di Reynolds su oggetti geometricamente simili, ma di scala diversa, si ottengono le medesime forze viscose e d’inerzia.
Le gallerie aerodinamiche sono una applicazione della similitudine aerodinamica del numero di Reynolds.
Resistenza d’ATTRITO
Da quanto si evince dall’argomento trattato precedentemente, essa è dovuta all’attrito per forze viscose dello strato limite.
Resistenza di FORMA o SCIA o PRESSIONE
Lastra piana verticaleLe linee di flusso a monte si  separano in due flussi e quando superano la piastra vengono risucchiate, con un effetto ventosa, nella zona di ristagno (situazione di depressione) del retro del corpo. Si creano dei vortici, il cui effetto è di resistenza al moto.
SferaNella zona posteriore della sfera c’è la separazione del flusso, ma in modo meno evidente della lastra.
Nella fattispecie questo fenomeno è più evidente nel moto laminare che nel moto turbolento. Ciò è dovuto al fatto, che nel moto laminare l’aria tende a continuare il suo percorso per strati paralleli, staccandosi subito a valle della sfera, mentre nel moto turbolento l’aria segue più facilmente la superficie del corpo. Tant’è che le palline da golf sono fatte appositamente con le fossette, per creare turbolenza.Profili aerodinamiciIn questo caso il flusso si mantiene aderente su quasi tutta la superficie, consentendo di ridurre la scia e di conseguenza la resistenza di pressione.
Riassumendo

Corpi Tozzi Resistenza attrito: poco importante Resistenza di forma: importante Strato limite desiderato: turbolento

Corpi aerodinamici Resistenza attrito: molto importante, Resistenza di forma: importante Strato limite desiderato: laminare

RESISTENZA
                                                 R = Ra + Rf
                                             R = ½ Cr ρ S V²
                                              Cr = Cra + Crf
R   = resistenza totale
Ra = resistenza d’attrito
Rf = resistenza di forma
S    = Sezione maestra: proiezione dell’area di un corpo su un piano perpendicolare alla dirazione del moto (superficie alare per i velivoli)
Cr  = numero che misura la capacità di un oggetto di avanzare nel fluidoResistenza INDOTTA
Questa resistenza è già stata trattata in un precedente articolo:
link: Resistenza indotta
RESISTENZA TOTALE AERODINAMICA