Come si generano la portanza e la resistenza aerodinamica nelle auto da corsa

Definizione e spiegazione matematica della forza di trascinamento e della forza di sollevamento

Forza di trascinamento e forza di sollevamento.

In questa lezione (per quella precedente sui coefficienti aerodinamici controlla qui) il concetto di aerodinamica ascensore e forza di trascinamento saranno introdotti. Trattandosi di nozioni di base, il lettore che è già pratico di questi concetti può saltare questa lezione. Parliamo di due dei risultati più importanti di un'analisi fluidodinamica!

Come si genera la forza di resistenza e di portanza: la spiegazione della pressione.

In generale, il interazione del fluido (ad esempio l'aria) con il corpo (ad esempio il profilo alare) produce una forza risultante su di esso. Per il principio di azione-reazione, la stessa forza di segno opposto viene esercitata dal fluido in movimento. La componente di questa risultante allineata al flusso è chiamata FORZA DI TRASCINAMENTO, mentre quella perpendicolare alla direzione del flusso è denominata FORZA DI SOLLEVAMENTO. Fisicamente la risultante totale che può essere proiettata secondo il sistema di riferimento preferito, è costituita dalla somma delle forze di pressione e sollecitazioni di taglio che agiscono sulla superficie del corpo. Come si vede dall'immagine, l'integrale di queste azioni ci dà le forze (e il momento) che agiscono sul corpo specifico.

Come si generano le forze di resistenza e di portanza: la seconda legge della dinamica.

Non siamo qui per dedicare molto tempo alle formule, ma possiamo notare che sul lato sinistro abbiamo le forze d'inerzia, mentre sul lato sinistro abbiamo le forze di pressione e le forze viscose. La seconda equazione riportata è la trascrizione della formula seconda legge della dinamica dei fluidi. L'equazione è stata semplificata (dovrebbe comparire anche un termine con la divergenza della velocità) assumendo incomprimibile fluido. Infatti, la prima equazione dichiara la condizione di incomprimibilità del fluido, ottenuta scrivendo l'equazione di bilancio di massa. La densità è indicata con rho, v identifica la velocità, p la pressione mentre mu è la viscosità dinamica del fluido.

Come si generano le forze di resistenza e di portanza: equilibrio della quantità di moto.

Una semplice visione della forza scambiata tra il corpo e il fluido è illustrata nella figura seguente. La quantità di moto del fluido (una grandezza vettoriale) è cambiata se confrontiamo la quantità di moto in ingresso e quella in uscita. La la variazione di quantità di moto è uguale alla forza che agisce sul fluido. Per i nostri lettori, forniamo anche un spiegazione energetica di resistenza. Il nostro oggetto, muovendosi all'interno del fluido, perturba il campo. Indaghiamo l'energia nel piano sul moto -x: il suo valore non è nullo poiché la vorticità del fluido introduce una certa quantità di energia nel campo fluido. L'energia introdotta nel sistema equivale al lavoro compiuto dalle forze esterne, in questo caso l'oggetto si muove principalmente in direzione x, quindi la maggior parte del lavoro è determinata dalla resistenza aerodinamica moltiplicata per la distanza percorsa x. Abbiamo quindi l'importante indizio che la La forza di resistenza aerodinamica è strettamente correlata alla vorticità introdotta nel campo. Quanto più concentrato è il vorticità, più aumenta il resistenza abbiamo.

Le componenti della forza di resistenza aerodinamica.

I due termini principali di cui si compone la resistenza aerodinamica sono: resistenza viscosa (Df) e resistenza alla pressione (Dp). Il termine viscoso è dominante per le forme aerodinamiche, mentre i termini di pressione hanno un grande impatto sulla resistenza aerodinamica totale nei corpi di bluff. È importante sottolineare che un il corpo aerodinamico può comportarsi come un corpo di bluff ad alto angolo di attacco (quando lo strato limite si stacca).

L'origine della forza di portanza (deportanza).

Parlando di sollevamento, dobbiamo parlare della sua origine. In particolare, qui di seguito, il interpretazione della vorticità è riportato. La vorticità è essenziale per la portanza. Come si evince dal Teorema di Kutta-JoukowskySenza vorticità non c'è portanza. La vorticità è prodotta dall'attrito di taglio sulla parete. Quando un corpo viene inserito in un flusso, la vorticità viene prodotta impulsivamente sulla parete e rilasciata sul bordo di uscita. Aspetta! Stai dicendo che il campo di vorticità è irrotazionale (te l'hanno detto a scuola), vero?!? È zero, ma su tutto il dominio. Infatti, in prossimità del corpo (profilo) si produce un vortice opposto che è la causa della portanza. Il termine tau nella nota espressione di Kutta (corpi 2D) identifica la vorticità.

La vorticità è la chiave per la generazione della forza di sollevamento.

In questa lezione abbiamo appreso la fisica che sta alla base delle forze di resistenza e di portanza. Ehi, vi state ancora chiedendo perché la vorticità non può essere zero intorno al profilo (all'interno dello strato limite)? Pensate un po' alla definizione di vorticità:

La vorticità si produce sulla parete a causa della condizione di non scivolamento. Ricordate che una velocità diversa tra il lato inferiore e quello superiore determina una vorticità non nulla! Nella prossima lezione introdurremo la nozione di laminare e turbolento e il loro impatto sui coefficienti aerodinamici.