2.972 Come funziona un aliscafo

FILETTI IDROCARBURI
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Prima & Dopo 2.972	AUTORE:	Tina Rosado
	E-MAIL:	[email protected]
	COURSE:	2
	CLASSE/ANNO:	2

REQUISITO FUNZIONALE PRINCIPALE: Sollevare lo scafo delle barche fuori dall’acqua.

PARAMETRO DI PROGETTAZIONE: Aliscafo (è una lamina o un’ala sotto l’acqua usata per sollevare lo scafo delle barche fino a quando è totalmente fuori dall’acqua.)

GEOMETRIA/STRUTTURA:

Dettaglio della geometria dell’aliscafo

ESPLICAZIONE DI COME FUNZIONA/È USATO:

1. A basse velocità lo scafo (corpo della nave) si trova nell’acqua e gli aliscafi sono completamente sommersi nell’acqua.

2. Quando la velocità della barca aumenta, gli aliscafi creano portanza.

3. Ad una certa velocità, la portanza prodotta dagli aliscafi è uguale alla somma dei pesi della barca e del carico. Quindi lo scafo esce dall’acqua.

4. Invece di avere un aumento della resistenza con l’aumento della velocità perché lo scafo viene sollevato dall’acqua (contrariamente a quello che succede nelle barche tradizionali a causa della resistenza alla pressione), gli aliscafi forniscono un modo più efficiente di navigare. La diminuzione della resistenza aerodinamica contribuisce ad un migliore utilizzo della potenza necessaria per il movimento della barca.

FISICA DOMINANTE:

Come si produce la portanza – Dinamica dei fluidi.

Per lo scopo di questo progetto saranno presentate due spiegazioni in modo generale e basilare. Queste teorie sono l’applicazione dell’equazione di Bernoullis e l’equazione di Eulers per l’effetto di curvatura della linea di flusso.

Equazione di Bernoullis: Po = P1 + ½

rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2

Variabili	Unità
Po Pressione di ristagno	o
P Pressione	o
r Densità	o
V Velocità	o
g Costante gravitazionale	o
y Altezza	o

Dettaglio dell’aliscafo: a) Profilo di pressione b) Trasferimento del momento c) Circolazione d) Linee di flusso

Questa equazione si applica ai flussi lungo una linea di flusso che può essere modellata come: inviscida, incomprimibile, ferma, irrotazionale e per la quale le forze del corpo sono conservative. Anche la differenza sull’altezza della lamina (la distanza dalla sezione inferiore a quella superiore) è abbastanza piccola da rendere la differenza rgy2 – rgy1 trascurabile rispetto alla differenza del resto dei termini. Ciò che rimane è che la pressione più la metà della densità per la velocità al quadrato è uguale a una costante (la pressione di ristagno).
Come la velocità lungo queste linee di flusso aumenta, la pressione diminuisce (questo sarà importante tra poco). Il fluido che si muove sulla superficie superiore della lamina si muove più velocemente del fluido sul fondo. Questo è dovuto in parte agli effetti visivi che portano alla formazione di vertici all’estremità della lamina. Per conservare il momento angolare causato dalla rotazione in senso antiorario dei vortici, ci deve essere uno scambio di momento uguale ma opposto al vortice sul bordo di uscita della lamina. Questo porta alla circolazione del fluido intorno alla lamina. La somma vettoriale delle velocità dà come risultato una velocità più alta sulla superficie superiore e una velocità più bassa sulla superficie inferiore. Applicando questo a Bernoullis si osserva che, come la lamina taglia il fluido, il cambiamento di velocità produce la caduta di pressione necessaria per la portanza. Come è presentato nel diagramma, la forza risultante o netta (forza= (pressione)(area)) è verso l’alto. Questa spiegazione può essere arricchita con il principio di conservazione della quantità di moto (quantità di moto = (massa) (velocità)) Se la velocità di una particella con una quantità di moto iniziale è aumentata, allora c’è una quantità di moto reagente uguale in grandezza e opposta in direzione alla differenza delle quantità di moto. (Vedere il diagramma).(Mi = Mf + DM)

Equazione di Eulers: d(p+rgy)/dn = rv²/R

Variabili	Unità
P Pressione	o
r Densità	o
V Velocità	o
g Costante gravitazionale	o
y Altezza	o
n Vettore in direzione radiale	—
R raggio di curvatura della linea di flusso	o

Dettaglio della pressione nei punti sopra un profilo alare

Qui di nuovo, il termine che si riferisce all’altezza è assunto trascurabile rispetto agli altri termini dell’equazione. Questa equazione dice che man mano che ci si allontana dal centro del raggio di curvatura di una linea di flusso, la pressione sulle linee di flusso aumenta. La superficie superiore della lamina è più vicina al centro di curvatura delle linee di flusso, quindi ci sarà una pressione inferiore alla pressione ambientale sopra la lamina. La differenza tra la pressione sulla superficie superiore e la pressione ambientale alla superficie inferiore produrrà una pressione netta che causerà la portanza.(Seediagram.)

Angolo di attacco:

Angolo d’attacco

Come è stato presentato, la portanza viene dalla dinamica del fluido nelle aree che circondano la lamina. Ma la portanza può essere ottimizzata posizionando l’aliscafo ad un angolo (rispetto al flusso del fluido in entrata) chiamato angolo di attacco (Vedi diagramma). L’obiettivo è quello di ottimizzare il rapporto tra portanza e resistenza. Questo rapporto dipende dalla forma della lamina, che in questo caso è considerata una lamina sottile. Con un piccolo angolo di attacco, la portanza aumenta rapidamente mentre la resistenza aumenta ad un piccolo tasso. Dopo un angolo di ~10° la portanza aumenta lentamente fino a ~15° dove raggiunge un massimo. Dopo ~15° può verificarsi uno stallo. Quando l’angolo d’attacco è da 3° a 4° il rapporto portanza:resistenza è al suo massimo.Così il foglio è più efficiente a quegli angoli (3° e 4°) con rapporti di portanza e resistenza di ~ 20 a 25:1

FISICA LIMITANTE:

Dettaglio della geometria dell’alettone

All’inizio, la gente può pensare che lo stallo sia un problema negli aliscafi come lo è nei profili aerei, ma sorprendentemente non lo è. Un angolo di attacco ripido non è necessario nella progettazione dell’aliscafo. Al contrario, piccoli angoli di attacco sono usati sugli aliscafi per ottimizzare il rapporto tra portanza e resistenza come spiegato prima.

Quello che è una preoccupazione primaria è il design del foglio, i puntoni/supporti e il loro posizionamento. Tutte queste caratteristiche devono essere prese in considerazione. Quindi le caratteristiche sono progettate per produrre una velocità minima che solleverà la barca di un certo peso e la manterrà in volo.

Un problema che un’imbarcazione aliscafo può avere è l’altezza delle onde che è più grande dei montanti. Inoltre, se l’imbarcazione viaggia più veloce delle onde, le lamine potrebbero rompersi in superficie e fuori dall’acqua, con conseguente perdita di portanza e un angolo di attacco negativo quando la lamina si tuffa nell’onda successiva, facendo schiantare l’imbarcazione in mare. Gli ingegneri hanno progettato gli aliscafi per minimizzare le limitazioni e migliorare le prestazioni delle navi.

Schede/Grafici/Tabelle:

Nessuno Inserito

Alcuni aliscafi e il loro uso:

Gli aliscafi sono diventati molto popolari. Sono usati in vari tipi di viaggi in mare, dall’uso militare agli sport acquatici. L’alta velocità, la crociera fluida e le migliori virate fornite dagli aliscafi sono state utilizzate nelle navi militari. Anche la vela ha adottato gli aliscafi per guadagnare più velocità. Permettono nuove invenzioni che possono soddisfare il desiderio della gente di sfidare il pericolo, come lo sky ski. Si tratta di uno sci d’acqua con un aliscafo attaccato che permette alle persone di volare sopra la superficie dell’acqua. Ogni giorno vengono utilizzati più aliscafi, e in futuro, potrebbero essere il metodo dominante per viaggiare in mare.

Riferimenti/ulteriori informazioni:

Vedi anche su questo sito: Airfoil, barche a vela

Alexander, Alan, James Grogono, e Donald Nigg; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi: Londra, 1972.

Bertin, John e Michael Smith; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall: New Jersey, 1998.

Hook, Cristopher and A.C. Kermode; Hydrofoils. Pitman Paperbags: London, 1967.

The International Hydrofoil Societys Web Page:http://www.erols.com/foiler/index.html