Volare pt. 1 - Archimede
- D. e M.
- 24 giu 2020
- Tempo di lettura: 4 min
"Quando camminerete sulla terra dopo aver volato, guarderete il cielo perché là siete stati e là vorrete tornare." - Leonardo da Vinci
In questa nuova serie di post parleremo proprio di questo: volare. Dall'epoca di Leonardo ad oggi grandissimi progressi sono stati fatti ed oggi volare è pressoché una attività di routine. Per questa ragione, in questa serie approfondiremo il volo in ogni suo aspetto, per capire meglio le sfide ingegneristiche che questa attività presenta e le soluzioni adottate. In particolare, ci concentreremo sul volo all’interno dell’atmosfera (terrestre e non) e seguiremo un ordine vagamente cronologico nell’esposizione degli argomenti.
In questo primo post introduttivo ci occuperemo di quegli oggetti che volano poiché più leggeri dell’aria; a partire dai prossimi articoli invece ci occuperemo dei vari aspetti del volo di aerei, ossia quei velivoli che volano generando portanza su una superficie alare fissa, mentre in seguito approfondiremo elicotteri e droni, ossia i velivoli che volano generando portanza su una superficie alare rotante.
Nel 1783 fu effettuato in Francia il primo volo controllato della storia umana, su un aerostato costruito dai fratelli Montgolfier e intitolato alla regina Maria Antonietta. Si trattava della prima mongolfiera, che prende il suo nome proprio dai fratelli francesi. Ma come vola una mongolfiera?
Il principio di funzionamento è molto semplice: la mongolfiera vola per galleggiamento. Immaginiamo di immergere un pezzo di legno in acqua, questo immediatamente verrà a galla. Questo fenomeno è dovuto al fatto che la sua densità è nettamente minore di quella del fluido in cui è immerso, in questo caso l'acqua. Come fa invece una nave metallica a galleggiare nonostante il metallo affondi? Semplicemente l’interno della nave è essenzialmente vuoto, o meglio, pieno di aria, e di conseguenza la densità media della nave (Massa totale diviso volume) è minore di quella dell’acqua.
Per questo motivo, realizzando un oggetto con densità media inferiore a quella dell’aria (1.225 Kg/m^3), tende ad alzarsi dal suolo poiché la forza di galleggiamento risulta maggiore della forza di gravità. Le mongolfiere, per diminuire la loro densità media, usano il fenomeno dell’espansione termica. Attraverso un bruciatore scaldano l’aria all’interno del pallone; scaldandosi l’aria si espande, di conseguenza nel pallone (che ha volume costante) ci sarà meno aria rispetto a un simile volume di aria fredda, e quindi l’aria all’interno avrà una densità minore.
Non si tratta di altro che del celebre principio di Archimede: "ogni corpo immerso parzialmente o completamente in un fluido (liquido o gas) riceve una spinta verticale dal basso verso l'alto, uguale per intensità al peso del fluido spostato". Se la mongolfiera (che è immersa completamente nell'aria), sposta una quantità di aria in massa superiore alla propria, la forza verso l'alto che riceverà sarà maggiore della propria forza peso e le darà una spinta verso l'alto.
Un’altra tipologia di velivoli che sfruttano questo principio sono i dirigibili. Molto in voga fino agli anni '60 del '900 oggi sono pressoché totalmente scomparsi. Un dirigibile invece di riscaldare l’aria viene riempito di un gas molto leggero, come idrogeno o elio. Questo permette di sollevare carichi anche importanti e permette un volo piuttosto sicuro, anche se lento. Può sembrare strano che un velivolo conosciuto essenzialmente per dei famosi disastri sia sicuro, eppure concettualmente lo è, e gli storici incidenti sono da imputare a grossolani errori di progettazione più che alla tipologia di velivolo in sé.
In foto il dirigibile Hindenburg, entrato in funzione nel 1936. Poteva trasportare 70 passeggeri oltre ai 60 membri dell'equipaggio. Con la sua lunghezza di 240 metri resta ancora oggi l'aeromobile più grande mai costruito.
In questa ricostruzione si vede il celebre incidente del dirigibile. Una scossa elettrica incendiò l'involucro esterno, che per qualche non chiara ragione era infiammabile, e divampò poi nel gigantesco serbatoio di idrogeno altamente infiammabile.
Al giorno d’oggi sono di nuovo in via di sviluppo dei dirigibili. Una versione modernizzata di questo velivolo potrebbe essere molto utile per trasportare carichi su lunghe distanze o su terreni scoscesi. Sarebbero più economici degli elicotteri, poiché gli elicotteri utilizzano il proprio combustibile per generare portanza, mentre un dirigibile necessiterebbe di energia solamente per avanzare e non per stare in volo.
Ad esempio, un dirigibile potrebbe essere molto utile per rifornire i rifugi alpini o le navi in mare aperto. Inoltre sarebbero velivoli relativamente semplici da automatizzare: potrebbero prendere un carico in un luogo e portarlo, più rapidamente del trasporto su strada e senza nessuna supervisione, a migliaia di chilometri di distanza.
(fonte: hybridairvehicles.com)
In foto l'Airlander, un prototipo di dirigibile per crociere panoramiche di lusso a bassa quota. La sua grandissima autonomia permetterebbe di sorvolare l'Antartide o l'Ammazonia, offrendo a chi se lo può permettere panorami mozzafiato.
Questo e altri dirigibili moderni utilizzano l'elio (un gas nobile e inerte) e involucri ignifughi. Le eliche laterali inoltre offrono molta più manovrabilità dei dirigibili di una volta, poiché orientabili.
Per quanto riguarda invece i palloni aerostatici, difficilmente potranno diventare qualcosa di diverso da un passatempo ludico come sono oggi, a causa della loro totale mancanza di manovrabilità. Un pallone aerostatico infatti si muove solamente grazie ai venti atmosferici e per questa ragione la sua traiettoria è difficilmente prevedibile: come molte cose non prevedibili, è essenzialmente inutile.
Per approfondire:
Sito web per approfondimenti sull'Airlander
Un sistema innovativo per realizzare dirigibili sfruttando differenze di pressione
Principio di Archimede
Mongolfiere
Dirigibili
Dubbi o curiosità? Lascia un commento
Comentarios