Unità di misura e sostentamento statico:

 

Le unità di misura fondamentali

Innanzitutto per misurare qualcosa, bisogna prima di tutto scegliere l' unità di misura e verificare quante volte questa è contenuta nella grandezza da misurare. Da qui definiremo l' unità di misura come la grandezza fisica presa come campione. Nel sistema internazionale (SI) sono definite le sette unità di misura principali: Lunghezza, massa, intervallo di tempo, intensità di corrente elettrica, temperatura, intensità luminosa e quantità di sostanza. Le ultime due non sono utilizzate in ambito aeronautico, e la quarta solamente per ciò che riguarda gli impianti di bordo. In questa guida impareremo ad usare prettamente le seguenti unità di misura:

Lunghezza metro [ m ]
Massa kilogrammo [ kg ]
Intervallo di tempo secondo [ s ]
Temperatura kelvin [ k ]

Nel Sistema Internazionale esistono anche le unità di misura composte, ossia ottenute dal prodotto o dal quoziente di due o più unità di misura fondamentali. Di queste unità di misura, solo alcune fanno parte del mondo dell' aeronautica: area, volume, velocità, accelerazione, frequenza, velocità angolare, forza, energia, potenza, pressione, densità, portata. Di queste possiamo vederne una tabella riassuntiva qui sotto:

 

Area metro quadrato [ m² ]
Volume metro cubo [ m³ ]
Velocità metro al secondo [ m/s ]
Accelerazione metro al secondo quadrato [ m/s² ]
Frequenza hertz [ Hz ]
Velocità angolare radianti al secondo [ rad/s ]
Forza newton [ N ]
Energia, Lavoro joule [ J ]
Potenza watt [ W ]
Pressione pascal [ Pa ]
Densità kilogrammo al metro cubo [ kg/m³ ]
Portata kilogrammo al secondo [ kg/s ]


Esistono altre unità di misura che sono molto utilizzate in campo aeronautico e nella fisica, si tratta delle unità di misura del sistema anglosassone. Queste unità di misura riguardano la lunghezza, la velocità, la pressione, la temperatura. E' molto importante imparare ad usare e a convertire queste unità di misura, poichè spesso è capitato che nella progettazione di una sonda spaziale o di un aereo, da parte di un consorzio internazionale composto da agenzie europee e americane, si siano utilizzati due sistemi di misura differenti, per esempio gli americani hanno fatto riferimento al sistema anglosassone e gli europei a quello internazionale. Ciò ha comportato errori che sono costati molto cari. Oltre alle unità di misure del sistema anglosassone, esistono inoltre alcune unità di misura di uso comune utilizzate in tutto il mondo quali il grado centigrado, il kilometro orario etc. Qui di seguito riportiamo una tabella che riassume quelle che sono le principali unità di misura del sistema anglosassone:

 

Lunghezza
Pollice [ in ] = 0,0254 m = 1/12 ft
Piede [ ft ] = 0,3048 m = 1/3 yd
Iarda [ yd ] = 0,914 m = 3 ft
Miglio nautico [ nm ] = 1852 m
Miglio terrestre [ mi ] = 1609 m = 1760 yd
Temperatura
Grado Fharenheit   [ °F ] 59 °F = 15 °C = 288 k
Velocità
Nodo [ kts ] = 1,852 km/h = 0,514 m/s
Miglio orario [ MPH ] = 1,609 km/h = 0,4469 m/s

 

Le unità di misura di pressione:

Qui di seguito vi impareremo ad usare e a convertire le unità di misura della pressione. La pressione per definizione è il rapporto far la forza applicata e la superficie su cui agisce;     P = F/S. Nel sistema internazionale la forza è espressa in newton ossia kg*m/s² e la superficie è espressa in metri quadrati [ m² ]; perciò facendo l' analisi dimensionale, la pressione è data dalla formula: N/m². L' unità di misura della pressione nel sistema internazionale è il pascal e il suo simbolo è [ Pa ]. Quindi d' ora in avanti, ovunque vediate scritto pressione si intende espressa in pascal. Un' altra unità di misura della pressione non del sistema internazionale è il mmHg, ossia il millimetro di mercurio. Questa unità di misura è stata introdotta da Evangelista Torricelli che fu il primo a misurare la pressione dell' atmosfera a livello del mare. Egli aveva immerso in una bacinella di mercurio un tubo da una parte otturato e vide che la distanza fra il livello del mercurio della bacinella e il livello del mercurio nel tubo era di 760 mm.

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Questo esperimento si può eseguire anche con dell' acqua e si troverebbe che la pressione al livello del mare è di 10,33 m di acqua. Le altre unità di misura della pressione sono la Atmosfera, il millibar, il kilogrammo al metro quadrato, e talvolta il pollice di mercurio (quest'unità di misura è utilizzata nei paesi anglosassoni nei barometri degli aerei). Importante è sapere quanto valga ognuna di queste unità di misua a livello del mare e poi per convertirle in altre basta impostare la proporzione. Qui sotto riportiamo una tabella dei valori delle principali unità di misura di pressione a livello del mare.

 

Pascal 101325
millimetri di mercurio (mmHg) 760
kg/m² 10330
metri d'acqua 10,33
millibar (mb) 1013,25
Atmosfera (atm) 1
Pollici di mercurio (inHg) 29,92

Dalla tabella sopra descritta possiamo dedurre che a livello del mare, la pressioe è uguale a 101325 Pa = 1013,25 mb = 10330 kg/m² = 10,33 metri d'acqua = 1 atm = 29,92 inHg = 760 mmHg. Quindi se volessimo convertire 500 mmHg in pascal, dovremmo impostare la seguente proporzione:
760 mmHg : 101325 Pa = 500 mmHg : x Pa
risolvendo si otterrebbe che : Pa = (101325/760)*500 e troverremmo così il risultato di 66661 Pa. Questa proporzione deve essere fatta per convertire ciascuna delle unità precedentemente riportate in tabella, anche se oggigiorno disponiamo di calcolatrici scientifiche capaci di eseguire anche numerose conversioni. Nella prossima lezione parleremo delle velocità.

 

Le unità di misura di velocità:

L' unità di misura della velocità nel Sistema Internazionale è il metro al secondo [ m/s ]. Definiremo allora la velocità come il rapporto fra spazio percorso e il tempo impiegato a percorrerlo, lo spazio nel sistema internazionale è espresso in metri [ m ] e il tempo in secondi [ s ]; di conseguenza essendo la velocità S/t (spazio diviso il tempo), si ottiene che V = m/s. Esiste un' unità di misura della velocità che noi utilizziamo molto spesso, è molto utilizzata in campo automobilistico nei tachimetri delle automobili, avete capito di cosa sto parlando? Certamente il kilometro orario [ km/h ]. Quest' unità di misura seppur largamente utilizzata oggigiorno, non può essere assolutamente utilizzata in campo aeronautico e nelle altre branche della fisica. Da qui nasce la domanda: se è vero che l' unità di misura fondamentale della velocità è il metro al secondo, come possiamo convertire i kilometri orari in metri al secondo? La risposta è molto semplice; prendiamo in esame 1 km/h e cerchiamo di convertirlo in m/s. Per prima cosa dobbiamo esprimere 1km in metri e 1h in secondi, ottenendo la seguente formula:

V = 1 km / 1h = 1000 m / 3600 s = 1 m / 3,6 s
Da qui possiamo dedurre che per passare da km/h in m/s devo dividere per 3,6; per passare invece da m/s in km/h devo moltiplicare per 3,6. Esistono anche numerose unità di misura di velocità che però vengono utilizzate nel sistema anglosassone. Queste sono: il nodo, il miglio orario, il piede al secondo. Qui sotto vi riportiamo una tabella dove sono riporate la ugualianze di queste unità di misura del sistema anglosassone.

 

Nodo [ KTS ] 1 KTS = 1,852 km/h
Miglio orario [ MPH ] 1 MPH = 1,609 km/h
Piede al minuto [ ft/m ] 1 ft/s = 0,3048 m/s


Da questa tabella possiamo dedurre che:
- per passare da nodi a kilometri orari dobbiamo moltiplicare per 1,852 e per passare da kilometri orari a Nodi dobbiamo dividere per 1,852.
- per passare da miglia orarie a kilometri orari dobbiamo moltiplicare per 1,609 e per passare da kilometri orari a Miglia orarie dobbiamo dividere per 1,609.
- per passare da piedi al secondo a metri al secondo dobbiamo prima trasformare i piedi al minuto in piedi al secondo dividendo per 60 e poi per trasformare in metri al secondo bisogna moltiplicare per 0,3048; per passare da metri al secondo a piedi al minuto bisogna prima dividere per 0,3048 trasformando così in piedi al secondo e infine bisogna moltiplicare per 60 per trasformare in piedi al minuto.
Ora ci si può chiedere: ma il piede al minuto dove è utilizzato in campo aeronautico? Il piede al minuto è utilizzato nel campo della strumentazione di bordo, nel variometro dello aereo, che misura la velocità di salita o di discesa.

 

La sostentazione statica:

Ora vi parleremo della sostentazione statica e cominciamo col dirvi qualche cosa sugli aerostati. Si definisce aerostato quel velivolo più leggero dell' aria capace di alzarsi e sostenersi in volo grazie alla sola spinta aerostatica. La spinta aerostatica è una forza che si riconduce al principio di archimede che afferma: un corpo immerso in un fluido riceve da esso una spinta dal basso verso l' alto pari al peso del volume del fluido spostato. Gli aerostati si distinguono in dirigibili, governabili grazie a timoni, motori; e in palloni, che sono praticamente incontrollabili, possono solamente salire o scendere e per quanto riguarda le atre direzioni sono in balia delle correnti.

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I palloni si dividono a loro volta in palloni tenuti sospesi da un involucro sferico chiuso e gonfiato di un gas più leggero dell'aria (idrogeno o elio), e mongolfiere, costituite da un involucro a forma di pera capovolta, aperto in basso e gonfiato di aria riscaldata da un piccolo bruciatore sistemato al centro dell'apertura inferiore. Le mongolfiere, prendono il loro nome dai fraelli Joseph-Michel e Jacques-Etienne Montgolfier. Veramente la prime mongolfiere non erana state costruite in europa, poichè i cieli dalla Cina erano dominati dai draghi volanti cinesi ad aria calda. Nel tardo medioevo gli ingegneri militari idearono i draghi volanti incendiari a pece ardente. Nel 1783, i fratelli Montgolfier, ispirandosi agli esperimenti compiuti dal chimico inglese Joseph Priestley che aveva fatto numerosi esperimenti su palloncini pieni di aria calda che si alzavano in aria, lanciarono una mongolfiera priva di passeggeri. Successivamente fecero volare degli animali e, il 21 novembre 1783, lanciarono una mongolfiera con due uomini a bordo. Il pallone delle mongolfiere era fatto di materiale leggerissimo, generalmente di carta: aveva forma sferica, raccordata in basso a una sorta di cilindro circondato dalla navicella a forma di anello che, in genere, era di vimini intrecciati. All'estremità inferiore veniva fissata una piattaforma sulla quale era acceso il fuoco che, riscaldando l'aria soprastante, dava origine alla spinta aerostatica.

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Il dirigibile è un Aeromobile più leggero dell'aria, detto anche aeronave, costituito da un involucro contenente un gas per la sostentazione, un apparato motopropulsore e dispositivi per la regolazione della spinta aerostatica. La gran parte del volume di un dirigibile è occupata dall'involucro: di forma affusolata per favorire la penetrazione nell'aria e quindi evitare la resistenza aerodinamica di forma; essa contiene un gas che di solito è l'elio, gas meno infiammabile rispetto dell'idrogeno utilizzato nei primi modelli. L'apparato motopropulsore è costituito da uno o più motori che azionano eliche aeree. Per favorire la spinta aerostatica e salire di quota vengono usati appositi dispositivi che sganciano una zavorra, generalmente costituita da sacchetti di sabbia o acqua; per scendere di quota, invece, viene fatta uscire dall'involucro un'opportuna quantità di gas. I dirigibili si dividono in tre classi: flosci, nei quali l'involucro assume e mantiene la forma per effetto della pressione del gas; semirigidi, nei quali una chiglia rigida contribuisce a dare forma all'involucro; rigidi, nei quali la forma dell'involucro è data da una struttura reticolare rigida interna. Il primo dirigibile fu costruito nel 1852 dal francese Henri Giffard, era costituito da un involucro floscio a forma di sigaro lungo 44 m ed era propulso da un'elica azionata da un motore a vapore da 3 CV (2,2 kW). Il dirigibile di Giffard, che sorvolò Parigi alla velocità di circa 10 km/h, poteva essere controllato solo in quasi totale assenza di vento. Nel primo decennio del ventesimo secolo furono molti i paesi in cui vennero costruite aeronavi funzionanti; il primo dirigibile italiano, di tipo semirigido, fu progettato da Gaetano Arturo Crocco e collaudato nel 1908. Per quanto rigurada questo argomento c'è un tragico episodio che sarebbe meglio citare ed è l' incidente dell' Hindenburg, il tedesco Hindenburg, era il più grande dirigibile mai contruito nella storia, lungo 245 m e contenente 190.000 m3 di gas: dopo aver effettuato nel 1936 dieci traversate atlantiche, fu distrutto dal fuoco nel 1937 mentre stava atterrando a Lakehurst, nel New Jersey. Vi morirono 36 delle 92 persone a bordo, fra passeggeri e membri dell'equipaggio. La disastro dell'Hindenburg segnò la fine dei dirigibili rigidi, che da allora non vennero mai più costruiti, e sancì definitivamente la supremazia dell'aeroplano sul dirigibile. Nel corso della seconda guerra mondiale furono ancora impiegati alcuni modelli flosci, con compiti di pattugliamento, esplorazione, scorta ai convogli e sorveglianza antisommergibili.

Ora che abbiamo fornito qualche cenno storico sull' argomento, è ora di passare alla parte dei calcoli. Se i dirigibili e i paloni aerostatici si sorreggono in aria grazie al principio di archimede, allora per quanto riguarda la sostentazione statica c'è una formula che bisignerà imparare a memoria:

S = V * g * (?a - ?g)

In questa formula , S equivale alla spinta aerostatica, V al volume del pallone, ?a indica la densità dell' aria alla quota stabilita, ?g indica la densità del gas alla quota stabilita. Data la condizione omobarica (condizione in cui la pressione del gas è uguale alla pressione dell' aria) e la condizione omotermica (condizione in cui la temperatura in cui la temperatura del gas è uguale alla temperatura dell' aria), possiamo scrivere che:

?g / ?a = (Pg/Rg * Tg) / (Pa/Ra * Ta) = Rg/Ra

In questa formula il fattore (Pg/Rg * Tg) equivale al valore della densità nell' equazione dei gas perfetti. Questa formula ci fa cepire che con l' aumentare della quota la densità dei due gas cabia me il loro rapporto rimane costante. Da ciò avremo che: per ogni valore della quota, il rapporto fra la densità dell' aria e quella del gas è costante e quindi avremo: 1/Eg dove Eg è uguale al rapporto fra la densità dell' aria e quella del gas. Sostituendo questa formula nell' equazione della sostentazione statica otterremo:

S = V * g * ?a * (1 - 1/Eg)

- Densità dell' elio = 0,25 kg/m³ - Eg = 1,225/0,25 = 4,9
- Densità dell' idrogeno = 0,15 kg/m³ - Eg = 1,225/0,15 = 8,17
Attenzione la densità dell' aria non costante ma cambia in relazione alla pressione e alla temperatura.Per evitare di spiegarvi un' altra marea di formule vi riportiamo la tabella dell' aria tipo internazionale:

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Nota bene la spinta è una forza e come è tale va espressa in newton, il volume in metri cubi. Naturalmente se la spinta è uguale al peso il pallone starà in equilibrio, se è maggiore salirà e se è inferiore scenderà.

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