In aerodinamica, la resistenza aerodinamica è la forza di trascinamento del fluido che agisce su qualsiasi corpo solido in movimento nella direzione del flusso freestream fluido. Dal punto di vista del corpo (near-field approach), il trascinamento deriva da forze dovute a distribuzioni di pressione sulla superficie del corpo, simboleggiate D p r {\displaystyle D_{pr}} , e forze dovute all’attrito della pelle, che è un risultato della viscosità, denotate D f {\displaystyle D_{f}} ., In alternativa, calcolata dalla prospettiva del campo di flusso (approccio al campo lontano), la forza di trascinamento risulta da tre fenomeni naturali: onde d’urto, foglio di vortice e viscosità.

OverviewEdit

La distribuzione della pressione che agisce sulla superficie di un corpo esercita forze normali sul corpo. Queste forze possono essere sommate e il componente di quella forza che agisce a valle rappresenta la forza di trascinamento, D p r {\displaystyle D_ {pr}}, a causa della distribuzione della pressione che agisce sul corpo., La natura di queste forze normali combina effetti di onde d’urto, effetti di generazione del sistema di vortice e meccanismi viscosi di scia.

La viscosità del fluido ha un effetto importante sulla resistenza. In assenza di viscosità, le forze di pressione che agiscono per ritardare il veicolo vengono annullate da una forza di pressione più a poppa che agisce per spingere il veicolo in avanti; questo è chiamato recupero di pressione e il risultato è che la resistenza è zero. Vale a dire, il lavoro che il corpo fa sul flusso d’aria, è reversibile e viene recuperato in quanto non ci sono effetti di attrito per convertire l’energia del flusso in calore., Il recupero della pressione agisce anche in caso di flusso viscoso. La viscosità, tuttavia, si traduce in resistenza alla pressione ed è la componente dominante della resistenza nel caso di veicoli con regioni di flusso separato, in cui il recupero della pressione è abbastanza inefficace.

La forza di trascinamento dell’attrito, che è una forza tangenziale sulla superficie dell’aeromobile, dipende sostanzialmente dalla configurazione dello strato limite e dalla viscosità. La resistenza all’attrito netto, D f {\displaystyle D_{f}}, viene calcolata come proiezione a valle delle forze viscose valutate sulla superficie del corpo.,

La somma della resistenza all’attrito e della resistenza alla pressione (forma) è chiamata resistenza viscosa. Questo componente di trascinamento è dovuto alla viscosità. In una prospettiva termodinamica, gli effetti viscosi rappresentano fenomeni irreversibili e, quindi, creano entropia. La resistenza viscosa calcolata D v {\displaystyle D_{v}} usa i cambiamenti di entropia per prevedere con precisione la forza di trascinamento.

Quando l’aereo produce ascensore, un altro componente di trascinamento risultati., La resistenza indotta, simboleggiata D i {\displaystyle D_ {i}}, è dovuta a una modifica della distribuzione della pressione dovuta al sistema di vortice finale che accompagna la produzione di sollevamento. Una prospettiva alternativa su ascensore e resistenza è ottenuta considerando il cambiamento di slancio del flusso d’aria. L’ala intercetta il flusso d’aria e costringe il flusso a muoversi verso il basso. Ciò si traduce in una forza uguale e opposta che agisce verso l’alto sull’ala che è la forza di sollevamento., La variazione della quantità di moto del flusso d’aria verso il basso si traduce in una riduzione della quantità di moto all’indietro del flusso che è il risultato di una forza che agisce in avanti sul flusso d’aria e applicata dall’ala al flusso d’aria; una forza uguale ma opposta agisce sull’ala all’indietro che è la resistenza indotta. La resistenza indotta tende ad essere la componente più importante per gli aerei durante il decollo o il volo di atterraggio. Un altro componente di trascinamento, vale a dire wave drag , D w {\displaystyle D_{w}}, deriva dalle onde d’urto nelle velocità di volo transoniche e supersoniche., Le onde d’urto inducono cambiamenti nello strato limite e nella distribuzione della pressione sulla superficie corporea.

Storiaedit

L’idea che un corpo in movimento che passa attraverso l’aria o un altro fluido incontri resistenza era nota fin dai tempi di Aristotele. La carta di Louis Charles Breguet del 1922 iniziò gli sforzi per ridurre la resistenza razionalizzando. Breguet ha continuato a mettere in pratica le sue idee progettando diversi aerei da record negli anni 1920 e 1930. La teoria dello strato limite di Ludwig Prandtl negli anni 1920 ha fornito l’impulso per ridurre al minimo l’attrito della pelle., Un ulteriore importante invito alla razionalizzazione è stato fatto da Sir Melvill Jones che ha fornito i concetti teorici per dimostrare con enfasi l’importanza della razionalizzazione nella progettazione di aeromobili. Nel 1929 il suo documento ‘The Streamline Airplane’ presentato alla Royal Aeronautical Society fu seminale. Ha proposto un velivolo ideale che avrebbe una resistenza minima che ha portato ai concetti di un monoplano’ pulito ‘ e carrello retrattile. L’aspetto della carta di Jones che più scioccò i progettisti del tempo era la sua trama della potenza del cavallo richiesta contro la velocità, per un piano reale e un piano ideale., Osservando un punto dati per un dato aeromobile e estrapolandolo orizzontalmente alla curva ideale, si può vedere il guadagno di velocità per la stessa potenza. Quando Jones ha terminato la sua presentazione, un membro del pubblico ha descritto i risultati come dello stesso livello di importanza del ciclo di Carnot in termodinamica.

Lift-induced dragEdit

La resistenza indotta dal sollevamento (chiamata anche resistenza indotta) è la resistenza che si verifica come risultato della creazione di sollevamento su un corpo di sollevamento tridimensionale, come l’ala o la fusoliera di un aereo. La resistenza indotta consiste principalmente di due componenti: la resistenza dovuta alla creazione di vortici finali (resistenza a vortice); e la presenza di resistenza viscosa aggiuntiva (resistenza viscosa indotta dal sollevamento) che non è presente quando il sollevamento è zero., I vortici finali nel campo di flusso, presenti sulla scia di un corpo di sollevamento, derivano dalla turbolenta miscelazione di aria dall’alto e dal basso del corpo che scorre in direzioni leggermente diverse come conseguenza della creazione di sollevamento.

Con altri parametri che rimangono gli stessi, come l’ascensore generato da un corpo aumenta, così fa la resistenza indotta dal sollevamento. Ciò significa che all’aumentare dell’angolo di attacco dell’ala (fino a un massimo chiamato angolo di stallo), aumenta anche il coefficiente di sollevamento, e così anche la resistenza indotta dal sollevamento., All’inizio dello stallo, l’ascensore è bruscamente diminuito, così come la resistenza indotta dal sollevamento, ma la resistenza a pressione viscosa, un componente della resistenza del parassita, aumenta a causa della formazione di un flusso turbolento non collegato nella scia dietro il corpo.

Resistenza parassiticamodifica

La resistenza parassitaria è la resistenza causata dallo spostamento di un oggetto solido attraverso un fluido. La resistenza parassitaria è costituita da più componenti, tra cui la resistenza a pressione viscosa (resistenza alla forma) e la resistenza dovuta alla rugosità superficiale (resistenza all’attrito della pelle)., Inoltre, la presenza di più corpi in prossimità relativa può incorrere nella cosiddetta resistenza di interferenza, che a volte è descritta come un componente della resistenza parassitaria.

Nell’aviazione, la resistenza indotta tende ad essere maggiore a velocità inferiori perché è necessario un alto angolo di attacco per mantenere la portanza, creando più resistenza. Tuttavia, con l’aumentare della velocità, l’angolo di attacco può essere ridotto e la resistenza indotta diminuisce. La resistenza parassitaria, tuttavia, aumenta perché il fluido scorre più rapidamente intorno agli oggetti sporgenti aumentando l’attrito o la resistenza., A velocità ancora più elevate (transonica), la resistenza dell’onda entra nell’immagine. Ognuna di queste forme di trascinamento cambia in proporzione alle altre in base alla velocità. La curva globale combinata di resistenza quindi mostra un minimo ad un certo airspeed – un aereo che vola a questa velocità sarà a o vicino alla sua efficienza ottimale. I piloti useranno questa velocità per massimizzare la resistenza (consumo di carburante minimo), o massimizzare la gamma di volo a vela in caso di guasto al motore.

Curva di potenza in aviationEdit

L’interazione tra resistenza parassitaria e indotta e velocità dell’aria può essere tracciata come una curva caratteristica, illustrata qui. Nell’aviazione, questo è spesso indicato come la curva di potenza ed è importante per i piloti perché mostra che, al di sotto di una certa velocità, il mantenimento della velocità controintuitivamente richiede più spinta al diminuire della velocità, piuttosto che meno. Le conseguenze di essere “dietro la curva” in volo sono importanti e vengono insegnate come parte dell’addestramento del pilota., Alle velocità subsoniche in cui la forma a” U ” di questa curva è significativa, la resistenza dell’onda non è ancora diventata un fattore, e quindi non è mostrata nella curva.

Onda trascinare in transonico e supersonico flowEdit

Onda trascinare (chiamato anche compressibilità trascinare) è la resistenza che viene creato quando un corpo si muove in un fluido comprimibile e a velocità che sono vicino alla velocità del suono nel fluido., In aerodinamica, la resistenza dell’onda consiste di più componenti a seconda del regime di velocità del volo.

Nel volo transonico (numeri di Mach maggiori di circa 0,8 e inferiori a circa 1,4), la resistenza dell’onda è il risultato della formazione di onde d’urto nel fluido, formatesi quando vengono create aree locali di flusso supersonico (numero di Mach maggiore di 1,0). In pratica, il flusso supersonico si verifica su corpi che viaggiano ben al di sotto della velocità del suono, poiché la velocità locale dell’aria aumenta man mano che accelera sul corpo fino a velocità superiori a Mach 1.0., Tuttavia, il flusso supersonico completo sul veicolo non si svilupperà fino a ben oltre Mach 1.0. Gli aerei che volano a velocità transonica spesso subiscono il trascinamento dell’onda attraverso il normale corso di funzionamento. Nel volo transonico, la resistenza dell’onda è comunemente indicata come resistenza alla compressibilità transonica. La resistenza alla compressibilità transonica aumenta significativamente con l’aumentare della velocità di volo verso Mach 1.0, dominando altre forme di resistenza a quelle velocità.

In volo supersonico (numeri di Mach maggiori di 1.,0), la resistenza dell’onda è il risultato di onde d’urto presenti nel fluido e attaccate al corpo, tipicamente onde d’urto oblique formate ai bordi iniziali e finali del corpo. In flussi altamente supersonici, o in corpi con angoli di rotazione sufficientemente grandi, onde d’urto non attaccate o onde d’arco si formeranno invece. Inoltre, aree locali di flusso transonico dietro l’onda d’urto iniziale possono verificarsi a velocità supersoniche inferiori e possono portare allo sviluppo di ulteriori onde d’urto più piccole presenti sulle superfici di altri corpi di sollevamento, simili a quelle che si trovano nei flussi transonici., Nei regimi di flusso supersonici, la resistenza dell’onda è comunemente separata in due componenti, la resistenza dell’onda dipendente dal sollevamento supersonico e la resistenza dell’onda dipendente dal volume supersonico.

La soluzione in forma chiusa per la minima resistenza d’onda di un corpo di rivoluzione con una lunghezza fissa è stata trovata da Sears e Haack ed è nota come Distribuzione Sears-Haack. Allo stesso modo, per un volume fisso, la forma per la minima resistenza dell’onda è l’Ogiva di Von Karman.

Il biplano Busemann non è, in linea di principio, soggetto a resistenza d’onda quando viene azionato alla sua velocità di progetto, ma non è in grado di generare portanza in questa condizione.