giovedì

Le leggi fisiche in gioco

Il vento rappresenta l’unica forza di propulsione di cui è possibile disporre navigando a vela.

Fin dall’inizio è necessario saper determinare in ogni momento:
  • Direzione del vento
  • Intensità del vento
  • Nome del vento
Come si determina la direzione del vento?
  • Attraverso un segnavento posto sull’imbarcazione
  • Osservando sventolare una bandiera
Come si determina l’Intensità del vento?
  • Attraverso un apposito strumento definito “anemometro”
  • Osservando l’increspatura delle onde sul mare
L’intensità è misurata generalmente in “metri al secondo” o “nodi”.
Un nodo è definito come un miglio nautico internazionale (1852 m) per ora.

1 nodo è equivalente a circa:
  • 0,514 444 m/s
  • 1,852 km/h
  • 1,15 mi/h
  • 1 nm/h

Portanza
Il vento spinge o trascina la nostra barca?

"Il vento soffia....e spinge..." risponderebbe chiunque, ma lo devo smentire, e affermare che il vento ha solitamente più efficacia a trascinare una vela che a spingerla.
Proprio così, il vento non soffia sulle vele spingendole, ma le lambisce e le aspira, trascinando con esse la barca.

I tre principi fisici che permettono questo, si possono semplificare nel seguente modo:
  1. " ... un corpo sul quale agiscono due forze contrapposte si sposta nella direzione della forza che ha minore intensità, se le forze sono uguali il corpo resta immobile". (estensione del II° principio della dinamica)
  2. " .... la pressione è una spinta applicata in modo uguale ed uniforme sulla superficie di un oggetto, come tanti piccoli pesi uguali su tante piccole parti uguali di superficie dell'oggetto, che nella loro somma formano una forza applicata sullo stesso". (definizione elementare di pressione )
  3. " ... lungo il suo percorso, un fluido in movimento, dove è costretto ad accelerare diminuisce la sua pressione, dove è costretto a rallentare l'aumenta". (semplificazione del principio del Bernoulli)
Pensiamo al profilo di una ala di gabbiano posto solidamente fra due linee parallele, una sopra e una sotto al profilo, come un canale in cui fra una riva e l'altra sia posto il profilo dell'ala.

Analizziamo ora due particelle di fluido, accoppiate verticalmente, gemelle e inseparabili, che si muovano in modo rettilineo lungo la canalizzazione che incontrando il profilo debbano separarsi per passare una sopra e una sotto al profilo.

Mentre nel lato concavo una particella si muove ancora in modo rettilineo senza ostacoli, nella parte convessa, non potendo attraversare la linea del profilo e dovendo fare più strada, la seconda particella sarà costretta ad accelerare la sua velocità affinché si possa ritrovare insieme alla sorella alla fine del profilo.

Ottenendo due diverse velocità e ricordando che al variare della velocità varia la pressione, otterremo sui due lati due diverse intensità di pressione e se ora liberassimo il profilo permettendogli di muoversi, vedremo che questi si sposterebbe verso il lato superiore.

Per il terzo principio enunciato, è accaduto che sul lato superiore del profilo la pressione è diminuita, quindi significa che la forza applicata sul profilo verso il basso è diminuita, mentre nel lato inferiore non essendoci stata una sostanziale variazione di velocità, la pressione è rimasta invariata e quindi anche la forza applicata.

Così determinandosi la contrapposizione di due forze diverse sul profilo, esso si sposterà verso la forza più debole che si è formata, cioè verso l'alto.


Non solo, la forza generata sulla parte alta ha invertito la sua direzione, invece di premere sul profilo lo risucchia.

Per verificare questo fenomeno è possibile eseguire la seguente prova:
  • Prendere un foglio di carta da lettere posto davanti al mento; sotto l'effetto del suo peso, fletterà.
  • Soffiare leggermente sulla parte superiore del foglio.
  • Si noterà che il foglio si solleva.
La pressione atmosferica è uguale sia sopra che sotto al foglio, quindi le forze che vengono applicate al foglio si annullano perchè uguali e contrarie e il foglio flette sotto la forza del suo peso.

Le particelle di aria soffiate percorrono il foglio, modificando il valore della pressione sulla superficie superiore e creando una depressione la cui forza si somma a quella inferiore e soleva il foglio.

Questo effetto si definisce Portanza.

Questo è il segreto che permette ai gabbiani di stare fermi in aria con le ali semplicemente distese al vento, agli aerei di volare e alle barche a vela di avanzare.

Il profilo alare, rubato alla natura, ha permesso all'uomo di raggiungere mete e gradi di civiltà oltre i limiti raggiungibili dall'invenzione della ruota.

Laminarità e stallo
Abbiamo visto lo scorrere regolare delle particelle d'aria sopra e sotto il profilo.

Lo scorrere aderente alla superficie si definisce Laminarità.

Perché ciò avvenga bisogna però che la velocità del fluido e l'inclinazione del profilo si mantengano in determinati valori.

Infatti se il profilo si orientasse con un incidenza maggiore rispetto alla posizione descritta, le particelle di aria che scorrono sul lato superiore tenderebbero, a causa della loro velocità, a distaccarsi dal profilo stesso.

Facciamo finta che siano come tante motociclette lanciate su un dosso, più il dosso scende rapidamente o più la velocità delle motociclette è elevata, tanto più le motociclette tenderanno a saltare la discesa del dosso, senza poggiarvi le ruote a causa dell'inerzia.

Inoltre le particelle sul lato inferiore verranno ostacolate, e all'uscita del profilo si troveranno lontane da quelle superiori , creando vuoti tra di esse con turbinii e salti di pressione.

Questo genererà lo Stallo del profilo, cioè la perdita della portanza, che genera solo una vibrazione del profilo stesso.

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Se invece diminuisse la velocità del fluido, le variazioni di pressione diverrebbero semplicemente tanto scarse da non generare nessuna forza.

Ecco perché gli aerei non possono decollare con drastiche incidenze (inclinazione rispetto al piano di decollo) o basse velocità, e perché come vedremo le vele dovranno esser ben orientate e ben regolate al vento.