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Un sottile equilibrio

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In un mio precedente articolo vi ho parlato di Aerei ( per chi se lo fosse perso potete trovarlo qui ).

Volendo riassumere in breve il contenuto dell'articolo possiamo dire che un aereo per volare deve generare portanza. La portanza viene generata dalle ali (non propriamente vero; in un aereo tutto contribuisce a generare portanza ma il contributo principale deriva dalle ali). La portanza consente all'aereo di sollevarsi da terra e si ottiene gratis come conseguenza della spinta propulsiva dei motori.

Quindi, ricapitolando, le ali generano portanza per vincere la forza peso e sollevare il veicolo; i motori generano spinta per vincere la resistenza e muovere il veicolo. Ali e motori sono attaccate alla fusoliera che ha l'ovvio scopo di connettere insieme gli elementi costitutivi e di contenere i passeggeri, ovviamente.

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Guardando un aereo, però, ali motori e fusoliera non sono gli unici tre elementi che saltano alla vista; probabilmente, se siete buoni osservtori, noterete, nella parte posteriore, due grossi piani; uno verticale e uno orizzontale.

Quale è la loro funzione allora? Beh, la risposta è semplice ma anche complessa.

I piani di coda hanno la funzione di dare stabilità ( statica o dinamica ) all'intero veicolo.

La stabilità statica è la reazione del veicolo ad una perturbazione (ad esempio una raffica) iniziale. La stabilità dinamica è la descrizione di quello che avviene dopo la fine della perturbazione.

Come avviene anche in altri campi un sistema può essere classificato in baso alla sua reazione come stabile (stabilità positiva), instabile (stabilità negativa) e neutro (stabilità neutra).

In questo articolo ci occupperemo del solo piano di coda orizzontale guardando nel dettaglio il suo funzionamento.

Le origini dell'instabilità

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Proviamo a fare un poco di chiarezza. Il diagramma riportato di sopra prova a semplificare il concetto. Nell'immagine del veicolo possiamo distinguere gli elementi principali che ci seguiranno nella nostra trattazione.

Definiamo lo scenario fisico globale nel quale ci muoveremo per descrivere il comportamento del piano di coda. Consideriamo il veicolo che si muove con una certa velocità V ed un certo angolo di attacco (ne abbiamo già parlato nel nostro precedente articolo) \gamma.

Le due forze principali che agiscono sul veicolo sono la forza peso e la portanza. Abbiamo detto precedentemente che entrambe le forze sono uguali ed opposte e questo garantisce che il nostro veicolo può sollevarsi da terra. Se la portanza è maggiore, in modulo, della forza peso l'aereo sale; se la portanza è minore della forza peso l'aereo scende. Se sono uguali l'aereo non sale e non scende. In tutto ciò non abbiamo mai parlato di momenti.

Da dove nasce il momento? Nasce dal fatto che forza peso e portanza non sono applicate nello stesso punto. La forza peso, ovviamente, è pplicata nel centro di massa del veicolo; la forza di portanza nel centro aerodinamico. Il momento risultante che si genera è dovuto alla distanza tra i punti di applicazione e si esprime come

M = - L{l}_{w}

Dove il meno davanti il secondo membro è una pura convenzione in quanto si ritengono positivi i momenti cabranti, ovveri quelli che spingono la punta del veicolo verso l'alto. L'equazione proposta non è del tutto completa e dovrebbe essere corretta tenendo in conto il momento aerodinamico che si genera sul profilo per effetto delle forze aerodinamiche e che agisce nel centro aerodinamico del profilo stesso. La stessa equazione si può scrivere in modo più completo, come

M = {m}_{w} - L{l}_{w}

Visto che problema? Sul nostro veicolo agisce un momento, cabrante o picchiante a seconda della forza di portanza, che tende a far oscillare l'aereo stesso. Questo momento è sempre presente sul veicolo e gli impedirà dunque di muoversi di moto rettilineo uniforme. Affinche ciò sia possibile tale momento si deve annullare. Nell'equazione sopra si vede che annullare il momento longitudinale vorrebbe dire annullare le forze aerodinamiche che agiscono sul profilo (l'aereo non potrebbe nemmeno più volare) oppure far si che centro di gravità e centro aerodinamico coincidano, cosa quasi impossibile.

Aiuto alla stabilità...

In questo caso ci viene in aiuto il piano di coda orizzontale. Esso si comporta come l'ala, genera una portanza. Come possiamo vedere in figura in questo caso genera una forza di portanza negativa (in questo caso si parla di deportanza). Se volessimo tenere in conto il contributo del piano di coda alla stabilità otteniamo

M = {m}_{w} + {m}_{h} - {L}_{w}{l}_{w} + {L}_{h}{l}_{h}

dove il pedice w si riferisce all'ala e il pedice h al piano di coda orizzontale ed {l}_{h} è la distanza del centro aerodinamico del piano orizzontale dal centro di massa.

In questo nuovo scenario il sistema si comporta in modo stabile, ovvero il veicolo tende a reagire in un modo tale da opporsi alla perturbazione. Una raffica, ad esempio, che proviene dal basso ha l'effetto locale di incrementare l'angolo d'attacco che i profili dell'ala e del piano di coda vedono momentaneamente. Un aumento dell'angolo d'attacco comporta un aumento della forza aerodinamica di portanza (vi ricordate il perché?) per l'ala e il piano di coda. Siccome, però, il piano di coda è molto lontano l'incremento di momento dato dal piano di coda è maggiore di quello dato dall'ala.

Quindi possiamo dormire sonni tranquilli?

Semplice? Si, ma non è tutto. In alcuni casi può avvenire che il centro di gravità si sposti dietro tanto da superare il centro aerodinamico e avvicinarsi al piano di coda orizzontale. Se il centro di gravità si avvicina troppo al piano di coda orizzontale questo non sarà in grado di generare un momento sufficiente a dare stabilità il veicolo. Il contributo dovuto all'ala supera quello dovuto al piano di coda orizzontale e il veicolo diviene non controllabile in alcune situazioni.

Per tale motivo ogni veicolo viene certificato al volo (come si dice in gergo ottiene l'aeronavigabilità), ovvero ha l'autorizzazione a volare da parte dell'ente certificatore, solo per alcune posizioni del centro di gravità che deve trovarsi un intervallo di posizioni decisamente ristretto. Se il baricentro si trova fuori da questo intervallo l'aereo non è in grado di volare.

Ma cosa fa cambiare la posizione del baricentro? la distribuzione del peso del veicolo lungo la sua lunghezza. Per aerei di grandi dimensioni il movimento del baricentro è più limitato e meno critico. Per aerei di piccole dimensioni questo problema invece diviene molto più rilevante per cui diventa di primaria importanza tenere sotto controllo gli aspetti di stabilità e di bilanciamento del veicolo.

CC BY-NC-SA 4.0
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

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