Nessuno può spiegare perché gli aerei rimangono nellaria

Einstein ha quindi proceduto a dare una spiegazione che presumeva un incomprimibile, senza attrito fluido, cioè un fluido ideale. Senza menzionare Bernoulli per nome, ha fornito un resoconto coerente con il principio di Bernoulli dicendo che la pressione del fluido è maggiore dove la sua velocità è più lenta e viceversa. Per sfruttare queste differenze di pressione, Einstein propose un profilo alare con un rigonfiamento in cima in modo tale che la forma aumentasse la velocità del flusso daria sopra il rigonfiamento e quindi diminuirebbe anche la pressione lì.

Einstein probabilmente pensava che il suo ideale- lanalisi dei fluidi si applicherebbe altrettanto bene ai flussi di fluidi del mondo reale. Nel 1917, sulla base della sua teoria, Einstein progettò un profilo alare che in seguito divenne noto come ala posteriore del gatto a causa della sua somiglianza con la schiena gobba di un gatto che si allunga. Ha portato il progetto al produttore di aeromobili LVG (Luftverkehrsgesellschaft) a Berlino, che ha costruito attorno ad esso una nuova macchina volante. Un pilota collaudatore ha riferito che il velivolo ondeggiava nellaria come “unanatra incinta”. Molto più tardi, nel 1954, lo stesso Einstein definì la sua escursione nellaeronautica una “follia giovanile”. Lindividuo che ci ha fornito teorie radicalmente nuove che hanno penetrato sia i componenti più piccoli che quelli più grandi delluniverso, tuttavia, non è riuscito a dare un contributo positivo alla comprensione della portanza né a trovare un design pratico del profilo alare.

Verso a Complete Theory of Lift

Gli approcci scientifici contemporanei alla progettazione di aeromobili sono la provincia delle simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) e delle cosiddette equazioni di Navier-Stokes, che tengono pienamente conto della viscosità effettiva dellaria reale . Le soluzioni di queste equazioni e loutput delle simulazioni CFD producono previsioni sulla distribuzione della pressione, modelli di flusso daria e risultati quantitativi che sono alla base dei progetti di aeromobili altamente avanzati di oggi. Tuttavia, da soli non forniscono una spiegazione fisica e qualitativa della portanza.

Negli ultimi anni, tuttavia, il principale aerodinamico Doug McLean ha tentato di andare oltre il puro formalismo matematico e fare i conti con la causa fisica- relazioni ed effetti che spiegano il sollevamento in tutte le sue manifestazioni di vita reale. McLean, che ha trascorso la maggior parte della sua carriera professionale come ingegnere presso Boeing Commercial Airplanes, dove si è specializzato nello sviluppo di codici CFD, ha pubblicato le sue nuove idee nel testo del 2012 Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Considerando che il libro contenga più di 500 pagine di analisi tecnica piuttosto densa, è sorprendente vedere che include una sezione (7.3.3) intitolata “A Basic Explanation of Lift on an Airfoil, Accessible to a Nontechnical Audience”. Produrre queste 16 pagine non è stato facile per McLean, un maestro della materia, anzi, è stata “probabilmente la parte più difficile da scrivere”, dice lautore. “Ha visto più revisioni di quante ne possa contare. Non ne sono mai stato completamente soddisfatto.”

La complessa spiegazione di McLean della portanza inizia con il presupposto di base di tutta laerodinamica ordinaria: laria attorno a unala agisce come “un materiale continuo che si deforma per seguire i contorni del profilo alare. ” Quella deformazione esiste sotto forma di una profonda striscia di flusso di fluido sia sopra che sotto lala. “Il profilo alare influenza la pressione su una vasta area in quello che viene chiamato un campo di pressione”, scrive McLean. “Quando viene prodotta la portanza, una nube diffusa di bassa pressione si forma sempre sopra il profilo alare e una nube diffusa di alta pressione di solito si forma sotto . Dove queste nuvole toccano il profilo alare, costituiscono la differenza di pressione che esercita la portanza sul profilo alare. “

Lala spinge laria verso il basso, determinando una virata verso il basso del flusso daria. Laria sopra lala viene accelerata secondo il principio di Bernoulli. Inoltre, cè unarea di alta pressione sotto lala e una regione di bassa pressione sopra. Ciò significa che ci sono quattro componenti necessari nella spiegazione della portanza di McLean: una rotazione verso il basso del flusso daria, un aumento della velocità del flusso daria, unarea di bassa pressione e unarea di alta pressione.

Ma lo è linterrelazione tra questi quattro elementi che è laspetto più nuovo e distintivo del racconto di McLean. “Si sostengono a vicenda in una relazione di causa-effetto reciproca, e nessuno esisterebbe senza gli altri”, scrive. “Le differenze di pressione esercitano la forza di portanza sul profilo alare, mentre la rotazione verso il basso del flusso e le variazioni di la velocità del flusso sostiene le differenze di pressione.”E questa interrelazione che costituisce un quinto elemento della spiegazione di McLean: la reciprocità tra gli altri quattro. È come se quelle quattro componenti collettivamente si portassero allesistenza e si sostenessero da sole mediante atti simultanei di creazione e causalità reciproche.

Sembra esserci un accenno di magia in questa sinergia. Il processo descritto da McLean sembra simile a quattro agenti attivi che si tirano su i bootstrap luno dellaltro per tenersi in aria collettivamente. O, come riconosce, è un caso di “causa-effetto circolare”. Comè possibile che ogni elemento dellinterazione sostenga e rinforzi tutti gli altri? E cosa causa questa interazione reciproca, reciproca e dinamica? Risposta di McLean: la seconda legge del moto di Newton.

La seconda legge di Newton afferma che laccelerazione di un corpo, o di una particella di fluido, è proporzionale alla forza esercitata su di essa. “La seconda legge di Newton ci dice che quando una differenza di pressione impone una forza netta su una particella di fluido, deve causare un cambiamento nella velocità o la direzione (o entrambe) del movimento del pacco “, spiega McLean. Ma reciprocamente, la differenza di pressione dipende ed esiste a causa dellaccelerazione del pacco.

Non stiamo ottenendo qualcosa per niente qui? McLean dice di no: se lala fosse a riposo, non esisterebbe nessuna parte di questo gruppo di attività che si rinforzano a vicenda. Ma il fatto che lala si muova nellaria, con ogni particella che influenza tutti gli altri, fa nascere questi elementi co-dipendenti e li sostiene per tutto il volo.

Attivare la reciprocità della portanza

Subito dopo la pubblicazione di Understanding Aerodynamics, McLean si è reso conto di non aver tenuto pienamente conto di tutti gli elementi di portanza aerodinamica, perché non ha spiegato in modo convincente cosa fa cambiare le pressioni sullala rispetto allambiente. Quindi, nel novembre 2018, McLean ha pubblicato un articolo in due parti su The Physics Teacher in cui proponeva “una spiegazione fisica completa” della portanza aerodinamica.

Sebbene larticolo ribadisca in gran parte la precedente linea argomentativa di McLean, essa tenta anche di aggiungere una migliore spiegazione di ciò che causa la non uniforme del campo di pressione e di assumere la forma fisica che ha. In particolare, il suo nuovo argomento introduce una reciproca interazione a livello del campo di flusso in modo che il campo di pressione non uniforme sia un risultato di una forza applicata, la forza verso il basso esercitata in aria dal profilo alare.

Se la sezione 7.3.3 di McLean e il suo articolo successivo riescono a fornire un resoconto completo e corretto della portanza è aperto a uninterpretazione e dibattito. Ci sono ragioni per cui è difficile produrre un resoconto chiaro, semplice e soddisfacente della portanza aerodinamica. Per prima cosa, i flussi di fluidi sono più complessi e più difficili da capire dei movimenti di oggetti solidi, specialmente fluidi flussi che si separano al bordo dattacco dellala e sono soggetti a diverse forze fisiche lungo la parte superiore e inferiore. Alcune delle controversie relative allascensore non riguardano i fatti in sé, ma piuttosto il modo in cui tali fatti devono essere interpretati, il che può comportare questioni che è impossibile decidere sperimentalmente.

Tuttavia, a questo punto ce ne sono solo alcune questioni in sospeso che richiedono una spiegazione. La portanza, come ricorderai, è il risultato delle differenze di pressione tra la parte superiore e quella inferiore di un profilo alare. Abbiamo già una spiegazione accettabile per ciò che accade nella parte inferiore di un profilo alare: laria in arrivo spinge sullala sia verticalmente (producendo portanza) che orizzontalmente (producendo resistenza). La spinta verso lalto esiste sotto forma di una maggiore pressione sotto lala, e questa maggiore pressione è il risultato di una semplice azione e reazione newtoniana.

Le cose sono abbastanza diverse nella parte superiore dellala, tuttavia. Esiste una regione di pressione inferiore che fa anche parte della forza di sollevamento aerodinamica. Ma se né il principio di Bernoulli né la terza legge di Newton lo spiegano, cosa significa? Sappiamo dalle linee di aerazione che laria sopra lala aderisce strettamente alla curvatura verso il basso del profilo alare. Ma perché le particelle daria che si muovono sulla superficie superiore dellala devono seguire la sua curvatura verso il basso? Perché non riescono a separarsene e tornare subito indietro?

Mark Drela, professore di fluidodinamica presso il Massachusetts Institute of Technology e autore di Flight Vehicle Aerodynamics, offre una risposta: “Se i pacchi momentaneamente volò via tangente alla superficie superiore del profilo alare, ci sarebbe letteralmente un vuoto creato sotto di loro “, spiega.” Questo vuoto risuccherebbe i pacchi fino a riempire principalmente il vuoto, cioè fino a quando non si muovono di nuovo tangenti al profilo alare. . Questo è il meccanismo fisico che costringe i pacchi a muoversi lungo la forma del profilo alare. Rimane un leggero vuoto parziale per mantenere i pacchi in un percorso curvo. “

Questo allontanare o tirare giù quei pacchi daria dai pacchi vicini sopra è ciò che crea larea di pressione inferiore in cima allala.Ma anche un altro effetto accompagna questa azione: la maggiore velocità del flusso daria in cima allala. “La pressione ridotta su unala che si solleva tira anche orizzontalmente sui pacchi aerei quando si avvicinano da monte, quindi hanno una velocità maggiore nel momento in cui arrivano sopra lala”, dice Drela. “Quindi la maggiore velocità sopra lala di sollevamento può essere visto come un effetto collaterale della riduzione della pressione. “

Ma come sempre, quando si tratta di spiegare il sollevamento a livello non tecnico, un altro esperto avrà unaltra risposta. Laerodinamico di Cambridge Babinsky dice: “Odio non essere daccordo con il mio stimato collega Mark Drela, ma se la creazione di un vuoto fosse la spiegazione, allora è difficile spiegare perché a volte il flusso si separa comunque dalla superficie. Ma ha ragione nel tutto il resto. Il problema è che non esiste una spiegazione rapida e facile. “

Lo stesso Drela ammette che la sua spiegazione è insoddisfacente in qualche modo.” Un problema evidente è che non esiste una spiegazione che sarà universalmente accettata ,” lui dice. Allora dove ci lascia? In effetti, proprio da dove siamo partiti: con John D. Anderson, che ha dichiarato: “Non esiste una risposta semplice e di battuta a questa domanda”.