Aerodinamica

Il principio di Bernoulli regola anche l'andamento della forza del vento che agisce su superfici di forma aerodinamica. La vela di una barca in movimento, ad esempio, è una tipica superficie aerodinamica. Anche le automobili da corsa vengono progettate in modo che l'aria fluisca rapidamente tra la macchina e il terreno così da ridurre la pressione sotto l'automobile, migliorando la tenuta di strada. Per incrementare questo effetto si aggiunge solitamente l'alettone, una superficie aerodinamica montata sul retro della macchina.

Un altro importante aspetto dell'aerodinamica è lo studio della resistenza che si oppone al moto in aria di un corpo solido. Tale forza può essere significativamente ridotta modificando opportunamente la forma dell'oggetto: per i corpi di forma non perfettamente aerodinamica, l'intensità della forza di resistenza aumenta approssimativamente con il quadrato della velocità del corpo in moto nell'aria. L'energia richiesta per guidare un'automobile a velocità costantemente medio-alte serve principalmente per vincere la resistenza dell'aria.

Aerodinamica supersonica

L'aerodinamica supersonica, un importante ramo dell'aerodinamica, si occupa dei fenomeni che si verificano quando la velocità di un corpo solido in moto in un fluido supera la velocità del suono nello stesso mezzo. La velocità del suono nell'atmosfera non è costante ma dipende da diversi parametri, ad esempio dalle condizioni di umidità, di temperatura e di pressione, ed è per questo un fattore critico nelle equazioni aerodinamiche. Un modo di esprimere tale velocità è il cosiddetto numero di Mach, dal nome del fisico e filosofo austriaco Ernst Mach, dato dal rapporto tra la velocità del corpo nel mezzo di propagazione e la velocità del suono nello stesso mezzo e nelle stesse condizioni. Così, a livello del mare e in condizioni standard di temperatura e di pressione, una velocità di 1220 km/h corrisponde a un numero di Mach pari a 1. La stessa velocità del velivolo nella stratosfera, dove le condizioni di densità, temperatura e pressione sono diverse, corrisponderebbe a un numero di Mach 1,16. Esprimendo la velocità in termini di numero di Mach, piuttosto che nelle unità di misura convenzionali, quali i km/h, si fornisce un quadro completo delle condizioni di volo.

Onde d'urto

Lo studio delle traiettorie dei proiettili d'artiglieria per mezzo di osservazioni ottiche rivela la natura dei disturbi atmosferici incontrati in volo. A velocità inferiori a quelle del suono, cioè per numeri di Mach inferiori a 0,85, il solo disturbo atmosferico si manifesta in una turbolenza nella scia del proiettile. Nel range di velocità transoniche, tra Mach 0,85 e Mach 1,3, appare un'onda d'urto all'aumentare della velocità; soprattutto per i valori più bassi di questo intervallo, si sviluppa un'onda d'urto da ogni discontinuità del profilo del proiettile. Quando la velocità supera Mach 1, dalla punta e dalla coda del proiettile partono onde d'urto che si propagano generando due coni d'onda. L'angolo al vertice del cono è tanto minore, quanto maggiore è la velocità del proiettile. Così a Mach 1 l'onda d'urto generata dalla punta è praticamente piana; a Mach 1,4 (1,712 km/h a livello del mare) l'apertura del cono è di circa 90°; e a Mach 2,48 (circa 3030 km/h), l'onda d'urto ha un'apertura di circa 50°. Questo campo di ricerca ha già reso possibile la progettazione di aerei ad alta velocità, in cui le ali formano angoli anche maggiori di 60° con il corpo dell'aereo, per evitare l'onda d'urto di punta del proiettile.

Massimizzazione dell'efficienza

La ricerca sui proiettili d'artiglieria supersonici ha fornito informazioni sulla forma ideale dei proiettili stessi e sul comportamento del flusso di gas ad alta velocità. La cosiddetta forma a goccia, che è la forma aerodinamica ideale per velocità inferiori a quella del suono, è assai poco vantaggiosa nel range di velocità supersoniche, a causa dell'ampia superficie frontale da cui si sviluppano onde d'urto di grandi dimensioni, che sottraggono energia.

Se si genera un flusso di gas attraverso un tubo con una strozzatura, ad esempio la punta di un razzo, a velocità inferiori a quella del suono la velocità del flusso aumenta e la pressione diminuisce nella gola della strozzatura. A velocità supersoniche si verifica il fenomeno contrario, e la velocità del flusso aumenta nei tubi divergenti. Queste considerazioni, applicate al progetto di razzi, possono portare netti miglioramenti dell'efficienza. Un altro fattore determinante è l'influenza diretta della pressione atmosferica sulle condizioni di volo a velocità supersoniche. Più il mezzo ha caratteristiche simili al vuoto, più efficiente è il sistema di fornitura energetica dell'aereo. Il range di velocità supersoniche di un aereo può essere ampliato riducendo l'area, o sezione d'urto, offerta all'aria. Le caratteristiche strutturali di un aereo da velocità supersoniche devono essere un maggiore peso, ottenuto aumentandone la lunghezza, un corpo sottile e un muso appuntito. Dopo la seconda guerra mondiale, gli istituti di ricerca in campo aerodinamico hanno costruito delle gallerie aerodinamiche per provare modelli di aerei in flussi d'aria supersonici.

Regola delle aree

Un progresso importante nel campo dell'aerodinamica, ottenuto grazie ai tunnel aerodinamici, è la scoperta da parte del fisico americano Richard Travis Whitcomb della regola delle aree, un nuovo criterio per la progettazione di velivoli supersonici. Secondo questo principio, il brusco aumento della resistenza opposta dall'aria nel range di velocità transoniche, dipende da come è distribuita la sezione d'urto totale del velivolo, lungo tutta la sua lunghezza. Assottigliando la fusoliera nel punto in cui si dipartono le ali, la riduzione della sezione d'urto combinata della fusoliera e delle ali produce la diminuzione della resistenza. Il cosiddetto vitino di vespa di Whitcomb ha reso possibile un incremento del 25% del range di velocità supersoniche, senza ulteriore richiesta di energia.

Il termine aerodinamica supersonica includeva inizialmente anche quel ramo della fisica ora noto come ultracustica, che studia onde sonore di frequenza superiore ai 20.000 Hz.