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Progetto Lauree Scientifiche
ic
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)
• 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
Interazione fluido – solido:pressione e sforzo di taglio
(forza normale alla superficie)
(forza tangente alla superficie)
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)
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
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
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
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