Moto esterno ai corpi

Un corpo investito da un fluido subisce sforzi (cioè forze per unità di superficie) di due nature, normale e tangenziale. Lo sforzo normale è dovuto alla pressione che il fluido esercita su qualunque superficie che vi sia immersa: tale pressione agisce perpendicolarmente all'ostacolo. Questo genere di effetto non è dovuto alla viscosità del fluido, perciò interverebbe anche se il fluido fosse ideale (cioè a viscosità nulla). Al contrario gli sforzi tangenziali nascono dalla interazione tra le particelle del fluido a diretto contatto con il corpo immerso (ferme rispetto ad esso per l'ipotesi di aderenza) e quelle vicine, quando si è in presenza di moto relativo fra fluido e corpo (cioè o nel caso che il corpo si muova nel mezzo o, viceversa, qualora il fluido investisse il corpo fermo o, ancora, quando entrambi si muovessero rispetto ad un riferimento "fisso" come la Terra, ma con velocità diversa) [fig.1].

Figura 1

La risultante degli sforzi applicati al corpo, sia normali sia tangenziali, è uno sforzo, quindi, se rapportato alla superficie su cui agisce, una forza che può essere scomposta lungo due direzioni: la prima antiparallela al verso assunto dal corpo che penetra il fluido; la seconda perpendicolare alla precedente e volta verso l'alto. La componente della risultante lungo la prima direttrice è detta RESISTENZA; quella lungo la seconda direttrice è detta PORTANZA.

Esempio:

L'aerodinamica di un'autovettura è volutamente deportante, perciò essa tende a rimanere vincolata al terreno. Tale comportamento è importante soprattutto in curva, quando la forza centrifuga tenderebbe a ribaltarla (l'effetto suolo è migliorato dalla costruzione di curve paraboliche).

L'aerodinamica di un aereo invece deve garantire una buona portanza e una minima resistenza - il rapporto portanza/resistenza può diventare anche 5 o 6 contro 1 - al fine di cabrare nell'aria senza spendere troppa potenza. Questo effetto è ottenuto principalmente grazie alle ali ( vd. più avanti l'aerodinamica delle ali ).

Si consideri ora un cilindro la cui superficie laterale sia investita da un fluido, ad esempio un palo della luce contro cui fluisca il vento [fig.2].

Figura 2

Il problema è almeno bidimensionale (come in questo caso in cui il sistema è simmetrico alle traslazioni in z), visto che occorrono almeno due assi x e y per dare una descrizione completa del fenomeno. Riportando una sezione del cilindro si

possono studiare i singoli sforzi normali lungo tutto il perimetro e pensarli uguali nelle z (perpendicolare rispetto al piano). Lo stesso può essere fatto per gli sforzi tangenziali [fig.3].

Figura 3

Tutto questo vale in generale.

Supponiamo ora di avere a che fare con un fluido ideale (n = 0). Gli sforzi tangenziali saranno tutti nulli; quelli normali, invece, saranno diversi da zero. Anche in presenza di un fluido ideale possiamo applicare la legge di Bernoulli [eq.1]:

(1)

Nel caso in questione la variazione di energia potenziale è trascurabile e non c'è alcun lavoro prodotto; inoltre, dato che la viscosità è nulla, non ci sono perdite di carico. Perciò l'equazione diventa [eq .2]:

(2)

Nei punti A e B (vd. fig.3) dove la velocità del fluido è nulla (punti di ristagno) la pressione è massima; nei punti C e D dove il fluido ha velocità massima la pressione è minima. Infatti, si prenda la formula e si sostuiscano nella formula i seguenti valori: (3)

(Dove p¥ ed u¥ sono rispettivamente la pressione e la velocità del fluido lontano dal cilindro, e uA è la velocità del fluido nel punto A)

Risulta una pA pari a [eq.4]: (4)

Applicando l'equazione di Benoulli al punto C si ottiene invece [eq.5]:

(5)

Figura 4

Nell'equazione 5 la velocità uC>u¥ [fig.4] (infatti in C, secondo la convenzione della fig.3, le linee di flusso si addensano) e la pressione nel punto C risulta essere inferiore rispetto a p¥ (vd. graf.1).

Fissando un sistema di riferimento angolare che faccia uso di un angolo q messo a zero nel punto A, positivo nel senso orario, che assume il valore 2p di nuovo nel punto A (come in fig.4), si ottiene un grafico [graf.1] pressione-angolo di questo genere:

Grafico 1

Se il fluido è ideale, come si è assunto finora, la pressione da esso esrcitata sulla superficie posteriore del cilindro è identica a quella esercitata sulla faccia anteriore; perciò, in particolare, pA = pB (sempre secondo le lettere fissate dalla fig.3). Infatti, con questa ipotesi non ci sono perdite di carico (cioè di pressione) da una parte all'altra della sezione: in altre parole nella equazione di Bernoulli R=0, la velocità del fluido gode di simmetria sferica (a causa della simmetria geometrica del sistema), quindi anche la pressione beneficia della stessa simmetria. Il risultato è che gli sforzi normali si equilibrano perfettamente ed il cilindro rimane fermo nel fluido. Il fenomeno descritto va sotto il nome di paradosso di D'Alambert.

Paradosso di D'Alambert

Un corpo che goda di particolari simmetrie - sferica ad esempio - immerso in un fluido ideale (n =0) non viene né trascinato né posto in rotazione dal fluido stesso. Non viene trascinato perché la risultante degli sforzi normali è nulla. Non viene messo in rotazione perché gli sforzi tangenziali sono tutti nulli.

N.B. Tuttavia localmente la presenza di forze normali tende a deformare il corpo anche in presenza di un fluido ideale; la nuova forma assunta dal corpo sarà qualitativamente (il disegno è volutamente esagerato) di questo genere [fig.5]:

Figura 5

Si consideri ora il caso di un fluido non ideale. A questo punto si osserveranno due sostanziali differenze rispetto alla situazione precedente:

  1. Esistono sforzi tangenziali locali non nulli dovuti alla presenza di una viscosità diversa da zero, cioè di un'interazione non nulla fra le particelle del fluido a contatto col corpo, ferme a causa dell'ipotesi di aderenza, e quelle circostanti.
  2. Perciò [eq.6]: (6)

    ( dove t indica lo sforzo tangenziale, m la viscosità dinamica, u la velocità del fluido e n la direzione normale alla superficie )

    Almeno localmente. Se poi il corpo risulta essere ancora simmetrico, come il cilindro che abbiamo preso in considerazione all'inizio, la risultante degli sforzi tangenziali si manterrà nulla, quindi il corpo non verrà messo in rotazione.

  3. Gli sforzi normali non sono più in una condizione di equlibrio. Infatti durante l'aggiramento del corpo immerso, il fluido perde pressione a causa di perdite di carico non nulle. Si prendano in considerazione i punti A e B del cilindro: se si imposta l'equazione di Bernoulli tra di essi non è più possibile trascurare R, che sarà in particolare maggiore di zero. Ovvero [eq.7]:

(7)

Avendo posto uA = uB = 0, perché le condizioni geometriche non sono cambiate rispetto al caso col fluido ideale. Il grafico pressione-angolo sarà ora [graf.2]:

Grafico 2

Il risultato di questi cambiamenti è che il cilindro viene trascinato dal fluido: le cause di questo trascinamento sono sia la presenza di sforzi tangenziali, i quali, pur non registrando un momento che possa mettere in rotazione il corpo, lo sospingono, sia lo sbilanciamento degli sforzi normali il quale causa una differenza di pressione nella direzione di flusso del fluido. La maggiore responsabilità del moto del corpo è da attribuirsi alla seconda causa, ovvero allo scompenso di pressioni dovuto alle forze normali [fig.6].

 

Figura 6

Esempio:

In un'ala ben profilata la componente resistiva al moto dell'aereoplano è affidata ai soli sforzi tangenziali. Il profilo asimmetrico assicura invece uno sbilanciamento positivo delle pressioni fra la superficie inferiore e quella superiore dell'ala: l'aria aumenta di velocità sopra l'ala, perciò, come già visto per l'equazione di Bernoulli, la pressione qui risulta minore. In questo caso gli sforzi tangenziali sono dannosi perché danno la resistenza; gli sforzi normali sono invece positivi perché garantiscono la portanza [fig.7].

Figura 7

Al di là di rendere massima la portanza a parità di effetto resistivo (le due componenti vengono in genere modificate a seconda delle necessità facendo ricorso ai flaps), gli aerei devono fare i conti con un altro importante problema fisico. E' necessario che il centro di spinta verso l'alto coincida con il baricentro, dove grava la forza peso cui è sottoposto il sistema, altrimenti ne nasce una coppia che tende a ruotare l'aereoplano [fig.8].

Figura 8

Nei vecchi piccoli aereomobili il problema era automaticamente risolto perché l'unico oggetto pesante a bordo era il motore posto all'estremità più avanzata. Perciò le ali, in posizione avanzata, mantenevano la coincidenza del centro di spinta con il baricentro [fig.9].

Figura 9

Negli aerei più moderni la necessità di trasportare maggiori carichi ed il diverso assetto consigliano di spostare il motore a poppa, arretrando contemporaneamente la posizione delle ali e raggiungendo così nuovamente la sovrapposizione dei due punti cardine del sistema [fig.10].

Figura 10

La necessità poi di variare durante il volo la posizione del centro di spinta portò all'impiego di piccole ali sul piano di coda in posizione bassa nei vecchi aerei, più in alto nei nuovi [fig.11]:

Figura 11

A questo punto si pone il problema di calcolare lo sforzo di trascinamento totale (dato dalla somma vettoriale dello sforzo resistivo e della portanza) a partire dalla conoscenza delle proprietà del fluido, della velocità del fluido lontano dal corpo, dalla grandezza lineare caratteristica del sistema (per esempio il diametro per la sfera). La soluzione è di carattere empirico e fa uso di un parametro adimensionale, il numero di Reynolds opportunamente reinterpretato [eq.8]: (8)

(dove u¥ rappresenta la velocità del fluido lontano dal corpo, D è la dimensione caratteristica del problema, n è la viscosità cinematica del fluido)

Il numero di Reynolds e la geometria identificano univocamente il comportamento del corpo immerso in un fluido: ad esempio due cilindri si comporteranno allo stesso modo se hanno lo stesso numero di Reynolds e gli stessi parametri geometrici. Al fine di rendere il legame tra lo sforzo totale di trascinamento e le due caratteristiche suesposte si definisce un raggruppamento adimensionale funzione solo di tali caratteristiche: numero di Reynolds e geometria. Si tratta del coefficiente di resistenza:

Cx = Cx( Re; geometria del corpo )

Esso è detto più comunemente coefficiente di penetrazione anche se, a rigore, un alto Cx è segno di una grande resistenza opposta dal fluido al movimento del corpo.

Nello studio del moto esterno ai corpi si tiene conto in genere solo di quelli lisci; l'eventuale scabrosità delle superfici viene conteggiata nella geometria del corpo che verrà resa, se necessario, più irregolare del caso reale. Inoltre tale studio è complicato dal fatto che piccole variazioni nelle forme possono essere responsabili di significativi cambiamenti negli effetti. Perciò è comune il ricorso alla sperimentazione, relativamente economica (se si pensa che una buona galleria del vento può costare circa due miliardi ma essere impiegata per anni in ogni genere di esperimenti) spesso altrettanto (o magari più) efficace.

Esempio:

Nell'industria per la produzione di aeromobili si ricorre spesso a modelli in scala degli esemplari progettati. Essi possono essere anche relativamente rozzi: importa la forma, non il materiale con cui sono fabbricati. Una possibile scelta è l'impiego del legno, facilmente lavorabile ed economico. Il modellino in scala può essere collocato nella galleria del vento mediante tre bilancini (dinamometri): quando l'aria viene soffiata, due rilevano il rapporto peso-portanza, il terzo valuta la resistenza.

Del resto il problema numerico può rivelarsi anche molto complicato; la convergenza alla reale soluzione del problema può limitarsi all'uso di valori iniziali, di tentativo, particolari, già molto vicini alla risposta effettiva. Si tratta comunque di problemi eccessivamente mal condizionati, in cui piccole variazioni nei dati iniziali possono portare a conclusioni diametralmente opposte. Una delle cause di instabilità è l'elevato numero di transizioni - anche 5 o 6 - fra tipi di moto completamente differenti, mentre nel moto interno ai corpi se ne conosce solo una, quella fra moto laminare e moto turbolento.

Fatte queste premesse, ecco la formula, sperimentale, che lega la forza di trascinamento al coefficiente di resistenza [eq.9]:

(9)

( in cui r è la densità del fluido e Af l'area frontale)

Nella formula compare il termine u¥ 2/2 che può essere interpretato come "l'energia cinetica posseduta dal fluido". L'area frontale, poi, è l'area dell'ombra prodotta da un fascio di raggi paralleli fra loro e all'asse del corpo che si proietterebbe su di uno schermo posto dietro al corpo, perpendicolarmente ai raggi stessi [fig.12].

Figura 12

Per il cilindro Af = D*l, dove D è il diametro ed l la lunghezza.

Esempio:

Nel caso dell'ala di un aereoplano (e comunque sempre in generale) è istruttivo scomporre la forza totale FT in due componenti, una dovuta alla portanza, l'altra alla resistenza [eq.10]: (10).

L'unica differenza fra i due termini è il coefficiente: in una buona ala Cp > > Cr : in questo modo l'aeromobile incontra poca resistenza in avanzamento nell'aria, ma gode al tempo stesso di una sufficiente spinta verticale per sostenere il proprio peso.

Costituiscono un indispensabile equipaggiamento per i modellisti i cosiddetti profili NAKA che riportano i coefficienti Cp, Cr in funzione del numero di Reynolds e della forma delle ali. (per le forme semplici del cilindro e della sfera vd. [graf.3]).

Grafico 3

Una volta ancora si può verificare l'instabilità cui va incontro un problema fluidodinamico quale la corretta determinazione numerica del coefficiente Cx noti la forma e il numero di Reynolds. La curva non è monotona, perciò la convergenza è strettamente legata alla scelta del vettore iniziale.

In particolare, il primo tratto decrescente coincide con il comportamento laminare del fluido. La depressione che segue è dovuta al fenomeno del distacco delle vene [fig.13], per cui si forma una sorta di cono dietro al corpo in cui il fluido è pressoché fermo: quindi, non incontrando turbolenze, almeno nel primo tratto, il moto del corpo è agevolato (il che è confermato dal minimo locale del coefficiente di resistenza Cx).

Figura 13

 

Esempio:

Il fenomeno del distacco delle vene è spesso voluto nell'aereomodellismo. Si tenga presente che, mentre un aereo vero può facilmente lavorare in regime altamente turbolento grazie ad un alto numero di Reynolds, un modellino in scala ad esempio 1:50 ha serie difficoltà ad imitare il grande rivale: per garantirsi lo stesso numero di Reynolds dovrebbe volare a velocità 50 volte superiori! Perciò si cerca di raggiungere il regime di distacco delle vene con delle piccole asperità aggiunte al di sopra delle ali. In tal modo si lavora con bassi Reynolds ma dentro la "buca" dei Cx.

 

Esercizio n.1

Una goccia d'acqua, approssimata con una sferetta di diametro D=1,5mm , cade liberamente in aria atmosferica alla temperatura di 20C. Calcolare la velocità raggiunta dalla goccia.

Figura 14

Dati:

D = 1,5 mm = 1,5 10-3 m

T = 20C

n @ 16 10-6 m2/s (dato tabulato relativo all'aria in funzione della temperatura)

r ARIA = 1,28 kg/m3 (tabulata in funzione della temperatura)

r ACQUA @ 1000 kg/m3 (tabulata in funzione della temperatura)

u = ?

Analisi:

Sulla goccia che cade agiscono tre forze: il peso della goccia che agisce verso il basso, la forza di Archimede e la resistenza dell'aria che agiscono verso l'alto. Tuttavia, poiché nella forza di Archimede compare il termine densità del fluido, ovvero dell'aria, essa è circa mille volte inferiore al peso, perciò è trascurabile.

La goccia d'acqua comincerà a cadere di moto accelerato non uniforme: mentre la forza peso è costante, la reazione dell'aria è funzione quadratica della velocità di caduta, quindi è molto variabile. Il corpo raggiungerà la sua velocità limite quando le due forze saranno esattamente equilibrate, cioè quando la resistenza dell'aria avrà uguagliato il peso della goccia.

 

Soluzione:

Si imposta il bilancio delle forze in questione, trascurando la spinta di Archimede:

(11)

(12)

(13)

Da cui si ricava la velocità u della goccia:

(14)

Il numero di Reynolds è, per definizione, uguale a:

(15)

Poiché:

(16)

(17)

Si ottengono,

(18)

(19)

A questo punto si battezza una velocità "di tentativo" e, facendo uso del grafico 3 e del numero di Reynolds corrispondente alla soluzione di tentativo, si individua il CR opportuno. Poi si calcola la velocità corrispondente. Si procede così finché due soluzioni successive sono più vicine fra loro della precisione voluta.

u0 = 1,00 m/s -- Re0 = 93,75 -- CR0 = 1,10 -- u1 = 3,73 m/s

u1 = 3,73 m/s -- Re1 = 349,69 -- CR1 = 0,80 -- u2 = 4,68 m/s

u2 = 4,68 m/s -- Re2 = 438,75 -- CR2 = 0,75 -- u3 = 4,52 m/s

u3 = 4,52 m/s -- Re3 = 423,75 -- CR3 = 0,76 -- u4 = 4,49 m/s

Commento:

La velocità limite raggiunta dalla goccia è circa 4,5 m/s. La precisione del calcolo risulta comunque inficiata dall'uso di un grafico non ideale e dall'aver considerato la goccia sempre sferica, mentre, a causa delle forze resistive, essa tenderà ad assumere una forma lobata simile a quella di un "globulo rosso".

 

Esercizio n.3

Una bolla d'aria sale nell'acqua per un'altezza di h = 20 metri. Il diametro iniziale della bolla è D = 1 cm. Considerando la bolla perfettamente sferica e trascurando gli effetti inerziali, determinare la velocità finale della bolla.

Sapendo che la temperatura esterna dell'aria è T = 20C e la sua umidità relativa è del 50%, determinare la temperatura dell'aria nella bolla.

Figura 15

Dati:

h = 20 m

D = 1 cm = 10-2 m

T = 20C (temperatura dell'aria fuori dall'acqua)

j = 0,5 (umidità dell'aria fuori dall'acqua)

r ACQUA @ 1000 kg/m3 (tabulata in funzione della temperatura)

u = ?

TBOLLA = ?

Analisi:

La bolla d'aria è ancora sottoposta, come nell'esercizio precedente, a tre forze: quella di gravità e la forza resistiva dell'acqua, verso il basso; la spinta di Archimede, verso l'alto. Ora, tuttavia, è la forza di gravità ad essere trascurabile rispetto alla spinta di Archimede, dato che la densità dell'aria è circa 1000 volte inferiore a quella dell'acqua.

 

Soluzione:

La soluzione analitica del problema è complicata: si tratta in ultima analisi di calcolare la radice di una equazione differenziale del secondo ordine :

(20)

Tale complicazione deriva dal fatto che le forze resistive non riescono mai ad equilibrare perfettamente la spinta di Archimede, la quale tende ad aumentare a mano a mano che la bolla sale, la pressione esterna diminuisce ed il suo volume aumenta. Perciò, a rigore, la bolla non raggiunge una velocità limite.

Si può semplificare il problema equlibrando ancora il sistema di forze in gioco (spinta di Archimede = resistenza dell'acqua) e considerando il volume della bolla media algebrica fra quello iniziale e quello finale.

Suppongo di lavorare nei primi 20 metri di profondità sotto il livello del mare:

(21)

Ora, supposta la trasformazione che avviene nell'aria della bolla durante la risalita isoterma, ho che

(22)

Dove V1 è il volume iniziale della bolla.

Inoltre,

(23)

Perciò, si lavorerà con le grandezze medie,

(24)

A questo punto si eguagliano la spinta di Archimede e la resistenza del mezzo:

(25)

(26)

(27)

(28)

Ora si procede come prima, partendo da una soluzione di tentativo come segue:

u0 = 1 m/s -- Re0 = 12180 -- Cx0 = 0,43 -- u1 = 0,636 m/s

u1 = 0,636 m/s -- Re1 = 7746 -- Cx1 = 0,4 -- u2 = 0,66 m/s

u2 = 0,66 m/s -- Re2 = 8039 -- Cx2 = 0,41 -- u3 = 0,65 m/s

Dopo tre iterazioni si giunge ad un valore piuttosto stabile di 0,65 m/s.

Alla seconda domanda è facile dare una risposta. L'aria nella bolla si porta alla temperatura di bulbo bagnato relativa alle condizioni imposte dal problema (T = 20C ; j = 0,5), cioè a 14C (come si ricava dal grafico psicrometrico).

Commento:

Alle osservazioni già fatte per l'esercizio precedente circa il grado di imprecisione si deve aggiungere l'ingombrante problema della continua variabilità del volume quindi della velocità della bolla (vd. Analisi suesposta). Al fine di migliorare la soluzione, si può procedere ad un raffinamento nel procedimento di calcolo: l'altezza percorsa dalla bolla viene suddivisa in più tratti, ad ognuno dei quali si può applicare un'equazione agli elementi finiti ricavabile dalla equazione differenziale (20). La velocità calcolata nel tratto n-esimo serve per valutare quella nel tratto (n+1)-esimo e così via, fino alla velocità nell'ultimo pezzetto di percorso. Operando in questo modo, però, ci si trascina un errore cumulativo che rischia di soverchiare l'errore commesso applicando le approssimazioni già viste; quindi è prudente procedere a gradi nel raffinamento, valutando passo passo la differenza fra due soluzioni finali successive ed interrompendo i calcoli una volta raggiunta la precisione voluta.