Con il termine di
ala
in
aerodinamica
s'intende una
superficie
disposta genericamente secondo un determinato assetto, rispetto alla corrente
fluida
che l'investe (e non necessariamente in posizione orizzontale) e capace di generare una serie di azioni
fluidodinamiche
(risultante di
forze
e
momenti
) causate da complessi meccanismi fisici legati a variazioni locali di
velocita
, di
pressione
ed azioni
viscose
, agenti sulla sua superficie.
Usualmente la risultante delle forze aerodinamiche viene 'scissa' in tre sue componenti, cosi suddivise:
- un'azione
portante o di portanza (lift, L)
disposta ortogonalmente al vettore di velocita asintotico dell'aria 'v' che la investe;
- un'azione
resistiva o di resistenza (drag, D)
disposta parallelamente al vettore di velocita asintotico dell'aria 'v' che la investe ed equiverso con essa;
- un'azione deviante o di devianza (slip, S) disposta ortogonalmente al vettore di velocita asintotico dell'aria 'v' e tale da creare, componendosi con L e D, una terna levogira ortogonale.
Nello specifico caso di un
velivolo
in moto generico, la
portanza
viene generata tramite le
forze
aerodinamiche
che agiscono prevalentemente sull'ala e sugli impennaggi di controllo.
Qualora l'ala non venga realizzata in un solo elemento, ma sia divisa in due parti collegate separatamente alla fusoliera, si parlera piu propriamente di
"semiala
" rispettivamente sinistra e destra: comunque generalmente la dizione semiala viene usata anche per riferirsi indistintamente alla meta destra o sinistra della stessa.
La maggior parte dei velivoli moderni e dotata di
una sola ala
di tipo rigido (ovvero munita di apposite superfici mobili di controllo), ma non mancano esempi di velivoli con piu ali: si parla allora di
biplani
(due ali sovrapposte, eventualmente sfalsate) o di
triplani
(tre ali sovrapposte e leggermente sfalsate). Qualora le ali di un biplano abbiano dimensioni significativamente diverse, si parla di aereo ad un'ala e mezzo, o
sesquiplano
.
Il
deltaplano
e una particolare
aerodina
munita di ala autostabile e non rigida, ovverosia la sua geometria puo variare in base al peso al decollo ed alle condizioni/manovre in volo; spesso e denominata anche
ala Rogallo
.
Anche il
parapendio
ha un'ala mantenuta in forma dalla pressione dell'aria generata dal suo moto ed e anch'essa di tipo flessibile (non rigida) in volo.
Esistono anche velivoli dotati di ali tozze e grandi
piani di coda
che volano, di solito sull'acqua, a pochi metri dalla superficie sfruttando l'
effetto suolo
.
Questi aerei, detti
ekranoplani
, sono caduti praticamente in disuso.
- Elementi geometrici caratteristici di un'ala di apertura
finita
- Semiapertura alare "
b/2
" (distanza retta dalla
center line
al
tip
, riferita alla sulla proiezione
in pianta
)
- Apertura alare "
b
" (distanza retta tip-tip, riferita alla sulla proiezione
in pianta
)
- Superficie alare di riferimento geometrica "
S
" (proiezione in pianta, sul piano XY)
- Corda alare
in pianta
"
c
", secondo le bitangenti alla corda in sezione (vedasi nel seguito la
corretta
definizione in sezione)
- Dorso alare od
estradosso
(vedasi nel seguito la
corretta
definizione in sezione)
- Ventre alare od
intradosso
(vedasi nel seguito la
corretta
definizione in sezione)
- Piano longitudinale di sezione (parallelo al piano di simmetria longitudinale XZ)
La soprastante rappresentazione secondo proiezioni ortogonali e una tipica e comoda modalita d'identificare un'ala di apertura finita (anche detta
ala reale
), simmetrica rispetto al piano XZ longitudinale (verticale); e altresi estremamente utile per comprendere la definizione di tutte le componenti fondamentali ed i nomi utilizzati per definirle.
Per ali rettangolari e prive di diedro praticando una sua sezione con un piano verticale XZ parallelo al piano contenente l'asse longitudinale di simmetria, si ottiene la sezione del
profilo alare
.
Teoricamente anche se le possibili forme bidimensionali delle sezioni alari sono infinite, nella pratica quelle maggiormente studiate ed utilizzate sono un piccolo sotto insieme e vengono caratterizzate da
sigle univoche
che ne definiscono in dettaglio le caratteristiche geometriche e prestazionali ed, in genere, vengono raggruppate in specifiche serie e/o famiglie.
Un'ala puo essere a
profilo costante
quando questo e il medesimo in ogni sezione nel senso della semiapertura procedendo dall'asse di simmetria (
Center Line, CL
) verso l'
estremita
(
Tip
), oppure a
profilo variabile
quando in
stazioni
a differente distanza dall'asse longitudinale, vengono adoperati profili diversi, assegnati, che seguono leggi di variazione particolari tra le stazioni di riferimento stesse.
Generalmente il profilo tende ad "accorciarsi" nella vista sul piano XY (rastremazione in pianta) ed a ridurre anche il suo spessore massimo (attenzione: spessore massimo,
non
spessore relativo massimo, che puo anche aumentare se la distribuzione della tipologia dei profili in apertura varia!) secondo andamenti lineari o piu complessi, mano a mano che ci si allontana dalla
Center Line
alare: le ragioni sono molteplici e di natura sia fluidodinamica/controllabilita in volo, che di peso/ottimizzazione della resistenza strutturale.
Una plausibile prima classificazione delle famiglie dei profili puo essere compiuta, storicamente, basandosi sulla
forma della curvatura
assunta dal ventre e dal dorso, ovvero osservando l'andamento complessivo del contorno stesso:
- Concavo convessi
: hanno l'estradosso convesso e l'intradosso concavo (ad es., il
Gottinga 335
), oppure estradosso convesso ma intradosso con tratti convesso nella zona prodiera e concavo nella rimanente zona poppiera (ad es., il
Gottinga 532
);
- Piano convessi
: l'estradosso e convesso, mentre gran parte dell'intradosso e piatto (tipico profilo e il
Clark Y
);
- Biconvessi
: intradosso ed estradosso hanno curvature opposte; se i contorni superiore ed inferiore sono differenti, si parlera di profili
biconvessi asimmetrici
(ad es., il
NACA 2412
), viceversa se hanno curvatura identica ma opposta (simmetrica rispetto alla corda geometrica), si parlera di profili
biconvessi simmetrici
(ad es., il classico
NACA 0012
);
- A doppia curvatura o Autostabili
: hanno estradosso ed intradosso con tratti opposti convessi-concavi nella zona prodiera e concavi-convessi nella rimanente zona poppiera, assumendo un caratteristico andamento ad '
S
' con il bordo d'uscita lievemente rialzato (ad es., il NACA M 24); talvolta invece l'intero ventre puo essere interamente concavo (ad es., il NACA M 6) con il bordo d'uscita dalla tipica forma rialzato o 'releve'.
Altre classificazioni importanti sono fatte basandosi su alcune specifiche caratteristiche fluidodinamiche, come l'estensione della
laminarita
su buona parte del contorno (famiglie cosiddette 'laminari'), oppure idonee a ritardare e/o mitigare il piu possibile gli effetti nocivi legati alla comprimibilita per consentire di volare ad alti numeri di
Mach
(0.60 ~ 0.85) in crociera (famiglie cosiddette 'supercritiche' o di R. T. Whitcomb
[1]
) ed aumentare anche la volumetria interna/rigidezza strutturale dell'ala.
Comunque inerentemente alla sola forma assunta dal contorno, questi possono in principio pensarsi come oculati affinamenti delle precedenti classificazioni riportate.
Nelle teorie sui profili alari viene
esattamente
indicato come 'bordo d'entrata (o d'attacco, o
Leading Edge, LE
)' il
punto geometrico fisso
coincidente con l'estremo anteriore (arrotondato in genere, ma non sempre) dello scheletro (o linea media) del profilo; tale punto per costruzione e, pertanto, anche appartenente al contorno anteriore del corpo e
non
e variabile con l'incidenza (o assetto) dello stesso.
Vi possono essere anche delle estensioni del bordo d'entrata (
Leading Edge Extension
) che, modificando il contorno del profilo, hanno come scopo quello di
ritardare
o annullare la probabile separazione del flusso
(laminare o turbolento), comportando un miglioramento del controllo longitudinale alle basse velocita ed alto angolo d'incidenza ed, infine, cercando anche di ridurre al contempo la possibilita di un brusco
stallo
.
Per la stessa ragione esistono anche delle estensioni conformanti alla
radice alare
denominati LERX o LEX (
Leading Edge Root Extension
): comumque tali dispositivi vengono usualmente adoperati su velivoli particolari (tipicamente caccia ed addestratori) per esaltarne le doti di manovrabilita in particolari condizioni di volo e richiedono una progettazione delle fusoliere che devono essere appositamente concepite per lo scopo (fusoliere cosiddette
"blended wing body"
).
Similmente viene anche indicato come '
bordo d'uscita
(o
di fuga, o Trailing Edge, TE
)' il
punto geometrico fisso
coincidente con l'estremo posteriore (appuntito in genere, ma non sempre) dello scheletro (o linea media) del profilo; anche tale punto pertanto e, per costruzione, appartenente al contorno posteriore del corpo e
non
e variabile con l'incidenza (o assetto) dello stesso.
Particolare attenzione dev'essere fatta nel
non
confondere il bordo d'entrata e d'uscita rispettivamente con i
punti di ristagno anteriore e posteriore del corpo
: questi infatti sono fisicamente individuati, nell'ordine, come i punti sulla superficie prodiera e poppiera del profilo dove si
annulla
la velocita del fluido rispetto al corpo; la posizione di questi punti
varia
con l'incidenza (assetto) dello stesso.
Il punto di ristagno anteriore puo anche coincidere con il bordo d'entrata per una particolare incidenza di volo (incidenza definita 'ideale' o di
design
del profilo), ma generalmente spazia nell'intorno di esso; analogamente dicasi per il punto di ristagno posteriore, sul quale pero, per gli usuali assetti di volo (bassa incidenza) ed in condizioni del moto 'a regime' (ovvero non nell'istante di partenza od arresto
impulsivo
del moto), in genere coincide sempre con il bordo d'uscita.
Infine la direzione del vettore velocita e, per entrambi i punti, sempre
ortogonale
alla locale retta tangente alla superficie di contorno nel punto stesso.
La
corda alare del profilo
e definita come la
distanza retta che unisce il bordo d'entrata al bordo d'uscita del corpo
(per quanto sopra definito); e una
caratteristica geometrica
del corpo, univocamente determinata (def. secondo NACA).
E bene prestare attenzione al fatto che, storicamente, anche per ragioni sperimentali e di pratica realizzazione, la corda del profilo puo essere individuata in maniera leggermente differente a quanto appena detto: ad es. secondo altre fonti
(ESDU 83040) la corda viene definita come
"la linea retta che unisce il bordo d'uscita (nel suo p.to medio, se 'troncato') al punto di tangenza sul contorno prodiero del profilo con una circonferenza centrata nel bordo d'uscita stesso"
(si capisce che, in tale maniera, considero il
massimo diametro
inteso come coppie di punti appartenenti al contorno del corpo).
Altre volte invece, specialmente in passato e su profili a forte curvatura e/o sulle
eliche
, ci si riferisce alla distanza di due punti individuati dalla bitangente al contorno ventrale tra la prua e la poppa del profilo, ponendolo con il ventre su un piano: comunque le differenze numeriche sulle lunghezze sono minime.
Inoltre la
corda geometrica
viene sempre usata per definire le posizioni relative dei profili tra loro e rispetto alla fusoliera (nel qual caso tali angoli sono denominati di '
calettamento
').
Altrettanto non puo invece dirsi sulla misurazione degli
angoli d'incidenza
quando riferiti anziche rispetto alla corda geometrica, rispetto a quella
aerodinamica
: l'
incidenza aerodinamica o assoluta
e infatti piu correttamente riferita al I° Asse di
portanza nulla
, passante
sempre
per il bordo d'uscita ed
univocamente
individuata a seconda della famiglia d'appartenenza del profilo.
Quando il corpo ha un angolo d'incidenza aerodinamica nullo, il suo contributo portante e sempre nullo e, in presenza di fluido viscoso incomprimibile, la risultante delle forze aerodinamiche degenera nella sola componente resistiva.
Per le usuali famiglie di profili portanti, per assegnato corpo l'angolo esistente tra la corda geometrica e la corda aerodinamica in genere oscilla tra ~ 0-4° ed e una caratteristica costruttiva.
Un'altra importantissima caratteristica geometrica dei profili, e il loro
spessore relativo
(o
Thickness Ratio, t/c
), definito come il rapporto tra il
massimo spessore
della sezione del profilo e la sua corda geometrica; generalmente viene espresso in percentuale della corda stessa ed in aerodinamica usualmente oscilla tra un minimo del ~ 4-5% ed un max. del ~ 24-25%, a seconda dei requisiti voluti.
A sua volta lo spessore del profilo alle varie stazioni, cioe lungo la corda, e definito come la
distanza
tra la superficie dorsale e la ventrale, misurata perpendicolarmente alla linea media del profilo
: tale valore cambia lungo la corda.
Salvo diversa indicazione, quando si parla genericamente di spessore relativo di un corpo, in aerodinamica s'intende sempre il valore
massimo
del rapporto.
Da un punto di vista
fluidodinamico
, i
punti di ristagno anteriore e posteriore
(per come definiti poco piu in alto) dividono la superficie bagnata del profilo in un tratto superiore, detto
dorso
(o
estradosso
), ed in un altro inferiore detto
ventre
(o intradosso).
Poiche i punti di ristagno variano con l'incidenza, l'estensione delle due aliquote non e sempre costante. Talvolta dorso e ventre vengono anche definiti (impropriamente), da un punto di vista
geometrico,
con il bordo d'entrata e d'uscita del profilo per avere una suddivisione del contorno
invariabile
(costante) con l'incidenza, ma e bene comunque precisare che la dizione fluidodinamica e quella fisicamente piu importante e corretta.
Nella teoria dei profili sottili si definisce
scheletro
(o
linea media
, o
Mean Line
) di un profilo il luogo dei punti (centri delle circonferenze
inscritte
nel profilo alare) equidistanti dalla superficie del corpo.
L'equazione della linea media del profilo puo assumere leggi analitiche anche molto complesse, a seconda del corpo in studio; inoltre viene spesso utilizzata per classificare varie famiglie di profili in base a ben precisi impieghi o distribuzioni di pressione (carico) lungo le corde.
Viene definito invece '
camber'
del profilo (o
freccia
della linea media) la
massima distanza
dalla corda geometrica (ed ortogonalmente ad essa) dei punti componenti la linea media.
Tale parametro usualmente viene espresso percentualmente come rapporto tra esso e la corda geometrica.
Il camber e una misura dell'asimmetria dello scheletro del profilo, ovverosia di quanto esso e curvato rispetto al suo equivalente simmetrico: tanto piu alto e tale valore, tanto piu '
negativo
' dovra essere l'angolo d'incidenza rispetto alla corda geometrica per avere un coefficiente di portanza
nullo
(ovvero: angolo d'incidenza assoluta nullo).
L'andamento dello scheletro e degli spessori relativi lungo la corda (da cui viene indirettamente individuato il camber) sono due fattori fondamentali nel definire le famiglie dei profili e parte delle loro caratteristiche.
L'apertura alare
geometrica 'b' (wing span
) rappresenta la distanza retta tra le estremita lungo una direzione ortogonale rispetto all'asse di simmetria alare (
Center Line
'CL') secondo la sua proiezione in pianta.
La
superficie alare di riferimento
(geometrica, o
gross reference wing area
)
rappresenta la proiezione in pianta dell'intera ala tra le corda poste all'estremita alare fino alla medesima sul piano di simmetria della stessa.
Generalmente viene indicata con la lettera maiuscola '
S
' e rappresenta la piu importante superficie di riferimento per i calcoli di dimensionamento e prestazionali.
Qualora sia presente anche la fusoliera, si tiene conto anche dell'aliquota di superficie presente all'interno di essa, prolungandone il perimetro fino alla
Center Line
.
L'
allungamento alare
'
A
' (geometrico, o
Aspect Ratio
, AR) di un'ala e univocamente definito come il rapporto tra l'apertura alare '
b
' al quadrato e la sua superficie alare '
S
' di riferimento.
Generalmente viene indicato con '
A
' o con '
AR
' ed e adimensionale; analiticamente pertanto vale:
- [adim.]
E un importantissimo parametro geometrico di "finitezza" (in senso dimensionale!) dell'ala e da esso dipendono numerose prestazioni aerodinamiche del velivolo, ma anche di sensibili incrementi del peso della cellula e riduzione della volumetria interna, poiche sostanzialmente e un indice di '
snellezza
' dell'ala nel senso dell'apertura.
Geometricamente parlando, un'ala puo fondamentalmente essere individuata da una serie di fattori che di seguito elencheremo.
Con questo termine s'indica la forma del contorno alare secondo una proiezione ortogonale in pianta della stessa; le principali famiglie possono essere cosi suddivise:
rettangolari
,
trapezoidali
,
ellittiche
(simmetriche e non), a freccia (positiva e negativa), a delta (e doppio delta), a delta ogivale ed obliqua.
Sulla base della
geometria in pianta
, e possibile classificare la proiezione in pianta delle ali nella sottostante maniera:
- 0.
ala rettilinea
(o ala dritta): sono quelle ali nelle quali tra le due semiali non vi e
angolo di freccia
e la
corda alare
e costante; la tipica ala dritta e quella a pianta rettangolare e, costruttivamente, e anche la piu semplice;
- ala trapezoidale
: quando l'ala dritta ha un modesto angolo di freccia ed una
corda alare
in pianta variabile, si dice che e rastremata (rastremazione in pianta); esse hanno generalmente modesti angoli (minori di ~10°) di freccia al LE (freccia positiva) o TE (freccia negativa) e possiedono un ben preciso
rapporto di rastremazione in pianta "λ"
(definito come rapporto tra la corda al tip alare e la stessa sulla sua Center Line: λ = Ct/Ccl) delle corde. Casi particolari: 1) ala rettangolare: hanno rapporto di rastremazione
λ
unitario (
λ
= 1) e frecce al LE e TE nulle (
=
= 0); 2) ali a delta e romboidali: hanno rapporto di rastremazione
λ nullo
(λ = 0) e frecce al LE e TE spesso molto marcati (si veda di seguito per ulteriori dettagli);
- ala a freccia positiva
: sono quelle ali con freccia
positiva
sia sul bordo d'entrata che d'uscita;
- ala a freccia negativa
: sono quelle ali con freccia
negativa
sia sul bordo d'entrata che d'uscita;
- ala a delta
: sono ali con marcata freccia positiva sul bordo d'entrata e con freccia nulla sul bordo d'uscita (hanno λ = 0 e forma di
triangolo isoscele
, che richiama la
lettera maiuscola greca
delta
≪
Δ
≫);
- ala a geometria variabile
: sono ali capaci di variare la freccia in volo ruotando, in maniera sincrona, le semiali intorno due punti (pivots);
- ala obliqua
: particolare ala a geometria variabile in cui l'angolo di freccia in volo viene variato ruotando, in maniera asincrona e solidalmente, l'intera ala intorno ad un punto (pivot);
- ala ellittica
: sono ali con una
distribuzione delle
corde
in pianta ellittiche (Nota: possono essere simmetriche o non simmetriche, in quest'ultimo caso al limite anche con bordo d'entrata o d'uscita rettilinei!);
- ala volante
: sono ali autostabili (grazie ad un'opportuna scelta della freccia in pianta, rastremazione, profili e loro twist in apertura), cioe senza una coda fisica distinta per garantirne la stabilita e manovrabilita;
- ala a delta ogivale
: variante dell'
ala a delta
, la parte interna dell'ala ha un angolo di freccia molto alto, mentre la parte esterna ha meno angolo di freccia; la variazione tra i due angoli e molto
dolce
e dettato da esigenze aerodinamiche;
- ala a doppio delta
: variante dell'
ala a delta
, la parte interna dell'ala ha un angolo di freccia molto alto, mentre la parte esterna ha meno angolo di freccia; la variazione tra i due angoli e
brusca
;
- ala romboidale
(o a diamante): sono un caso particolare di
ala trapezoidale
con rapporto di rastremazione in pianta nullo (λ = 0) e frecce al LE e TE in genere molto marcate.
L'estremita dell'ala puo essere piu o meno elaborata in modo tale da ridurre la vorticita concentrata localmente generata dalla finitezza dell'organo portante e, quindi, l'aliquota resistiva ad essa associata.
[2]
Angolo di freccia al naso (o
Wing Apex angle
) ed angoli di freccia
alari
[
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L'
angolo di freccia al naso
e, per definizione, l'
angolo
formato dai bordi d'entrata delle due semiali nel loro punto d'intersezione sul piano di simmetria alare; ha un interesse prevalentemente geometrico.
L'
angolo di freccia alare
non e unico, ma ne esistono di differenti a seconda delle necessita; considerando la semiala sinistra (rotazioni positive antiorarie ed origine su un asse ortogonale al piano di simmetria alare passante per il
wing apex
"O") e procedendo dal bordo d'entrata verso il bordo d'uscita, i piu rappresentativi sono:
- angolo di freccia al bordo d'entrata
, che, per ali con bordi d'entrata rettilinei e compreso tra un asse ortogonale al piano di simmetria alare ed i bordi d'entrata stessi: positivo se antiorario;
- angolo di freccia al 25% delle corde
, e compreso tra un asse ortogonale al piano di simmetria alare ed un asse inviluppo dei punti al 25% dei profili in apertura: positivo se antiorario. E l'angolo piu importante da un punto di vista aerodinamico;
- angolo di freccia al 50% delle corde
, e compreso tra un asse ortogonale al piano di simmetria alare ed un asse inviluppo dei punti al 50% dei profili in apertura: positivo se antiorario. E spesso utilizzato nella calcolo delle pendenze
dell'ala intera qualora si debba tenere in conto della rastremazione in pianta delle corde;
- angolo di freccia al bordo d'uscita
, che, per ali con bordi d'uscita rettilinei e compreso tra un asse ortogonale al piano di simmetria alare ed i bordi d'uscita stessi: positivo se antiorario.
Esistono ance altri angoli di freccia caratteristici (ad esempio come il
inviluppo dei punti delle sezioni aventi lo spessore relativo massimo t/c|max) che vengono adoperati per altri scopi (calcolo strutturale. delle ali equivalenti, etc.).
I due valori sono direttamente collegati: ad esempio ad un angolo di naso di 180
gradi
corrisponde un angolo di freccia di zero gradi, e ad una freccia di 30° corrisponde un angolo di naso di 120°. In generale:
- .
L'adozione di una freccia alare e dovuta a vari fattori. Storicamente e stata introdotta principalmente per aumentare il
numero di Mach critico
, ovvero il numero di Mach minimo al quale il flusso sull'ala comincia a diventare sonico. A queste condizioni la
resistenza aerodinamica
inizia ad aumentare molto fortemente.
Dato che principalmente e la componente normale al bordo d'attacco dell'ala (ovvero la perpendicolare nel piano dove giacciono velocita e bordo d'attacco) quella che contribuisce alla generazione delle forze aerodinamiche, l'angolo di freccia riduce tale componente. Dalla definizione di numero di Mach:
Nei velivoli relativamente lenti, cioe ad una velocita minore di
Ma
? 0,6 (il valore dipende molto dalle caratteristiche geometriche dell'ala) risulta conveniente l'utilizzo di un'
ala trapezoidale
senza freccia o con una freccia molto piccola.
Nel volo a velocita maggiore, l'ala puo accelerare a velocita supersonica piccole zone di flusso sul dorso, e generare onde d'urto che aumentano la resistenza. All'aumentare della velocita di volo, la zona interessata dalle onde d'urto crescera fino a contenere tutto il
profilo alare
.
L'onda d'urto generata ha un angolo di incidenza sulla fusoliera tanto minore quanto maggiore e la velocita dell'aereo. E importante che le ali dell'aereo rimangano all'interno del
cono
formato da quest'angolo, quindi quanto maggiore deve essere la velocita raggiungibile dall'aereo, tanto minore deve essere l'angolo di freccia. In
regime supersonico
, ad esempio, ad una velocita di Mach 3 (3 volte la
velocita del suono
) l'angolo sara di circa 60 gradi, quindi la freccia delle ali dovra essere inferiore ai 30 gradi. Gli alianti invece, per motivi di posizionamento del baricentro, spesso hanno le ali con angolo di freccia leggermente negativo.
I vantaggi di un angolo di freccia sono:
- aumento del Mach critico;
- diminuzione della sensibilita alle perturbazioni (diminuisce la sensibilita della
portanza
all'angolo d'attacco);
- riduzione della resistenza.
Gli svantaggi invece sono:
- diminuzione del massimo coefficiente di portanza al variare dell'angolo d'attacco;
- ispessimento dello strato limite alle estremita alari a causa di una componente della velocita parallela al bordo d'attacco;
- peggiori caratteristiche alle alte incidenze: tendono a stallare prima le estremita alari e quindi l'aereo tende ad alzare il muso esaltando il fenomeno invece di contrastarlo.
Osservando un'ala in proiezione frontale, e possibile valutare se entrambe le semiali giacciano sullo stesso piano o se, invece, formino un angolo (rivolto verso il basso o verso l'alto) nel loro punto di incontro lungo la fusoliera.
L'angolo eventualmente formato dalle semiali con un piano orizzontale viene detto
angolo di diedro
e la sua presenza ha una notevole importanza nel rendere un velivolo
autostabile
. L'autostabilita di un velivolo e la capacita di un velivolo di ritornare autonomamente in una posizione stabile dopo una sollecitazione.
Si consideri a titolo d'esempio una perturbazione tale da far rollare il velivolo, partendo quest'ultimo da una condizione di volo rettilineo e uniforme. In base a semplici considerazioni geometriche nascera una componente della forza peso perpendicolare al piano di simmetria dell'aeromobile tale da generare un moto laterale. Con angolo di diedro positivo la semiala abbassatasi per il movimento di rollio sara soggetta ad un aumento dell'angolo di incidenza dovuto alla velocita laterale (viceversa per l'altra semiala): ne nascera un momento di rollio tale da opporsi alla perturbazione iniziale.
E intuitivo che se le ali avessero un diedro negativo l'aereo risponderebbe ad una instabilita divenendo ancora piu instabile. Questa condizione di instabilita rende l'aereo piu difficilmente pilotabile, ma contemporaneamente lo rende anche piu maneggevole. Ali a diedro negativo si possono trovare su aerei quale il
MiG-29
, il
MiG-15
o, ancora piu evidente, nell'
F-104
.
A seconda della posizione rispetto alla fusoliera l'ala puo essere:
- alta
: Posta sopra la fusoliera
- media
o trasversante: Posta in prossimita della mediana della fusoliera
- bassa
: Sottostante alla fusoliera.
ala bassa
|
ala media
|
ala alta
|
ala alta a parasole (o controventata)
|
La posizione dell'ala e un importante fattore di stabilita. Un'ala alta rende l'aereo piu stabile, perche l'aereo si trova "appeso" alle ali: il suo
baricentro
e piu in basso del punto di applicazione della portanza, quindi l'aeromobile tende a ritornare da solo in una posizione stabile.
L'ala bassa invece, con il baricentro collocato sopra al punto di applicazione della portanza, rende l'aereo piu instabile ma al contempo gli conferisce una maggiore maneggevolezza.
L'ala media richiede una struttura leggermente piu complessa, ma migliora leggermente le prestazioni del velivolo riducendo la
resistenza di forma
. Per questo motivo e spesso utilizzata negli aerei di linea moderni e negli
alianti
.
Si puo notare che in genere gli aerei con ala bassa richiedono il diedro positivo per avere un minimo di stabilita (come la maggior parte dei
Piper
), mentre gli aerei con l'ala alta non richiedono il diedro (come la maggior parte dei
Cessna
).
Se l'ala e interrotta da piu fessure parallele all'apertura alare, viene detta
ala a persiana
.
Viene detta ala a sbalzo un'ala che per tutta la propria lunghezza (nel senso dell'apertura alare) non presenti strutture di sostegno esterne, risultando fissata alla fusoliera soltanto nella parte centrale.
Quando invece oltre al punto di fissaggio centrale siano presenti uno o piu tiranti di sostegno che arrivano a meno di meta semiala di distanza dalla fusoliera, le ali vengono dette a
semisbalzo
.
Se il profilo alare determina le caratteristiche di volo di un'ala e quindi di un
aeromobile
(prima fra tutte la velocita minima di volo in sicurezza) diviene evidente che, qualora un'ala sia progettata per volare in modo ottimale ad elevate velocita, sara piuttosto impegnativo effettuare i decolli e gli atterraggi (che iniziano e si concludono con l'aeromobile fermo). Ideale e quindi la possibilita di variare il profilo alare (non la geometria alare) nelle diverse fasi: un profilo in grado di sviluppare elevata portanza alle basse velocita (per le manovre di
decollo
ed
atterraggio
) e di produrre invece scarsa
resistenza
alle alte velocita. A tale fine gli aeromobili utilizzano alcuni strumenti particolari:
LEGENDA:
- aletta d'estremita
(
winglet
)
- alettone
d'estremita
- alettone interno
- carenatura degli
attuatori
- ipersostentatore
di bordo d'attacco (
slat
)
- ipersostentatore di bordo d'attacco (
slat
)
- ipersostentatore di bordo d'uscita (
flap
)
- ipersostentatore di bordo d'uscita (
flap
)
- deflettore
di flusso (
spoiler
).
- deflettore di flusso (
spoiler
).
Vi sono casi nei quali e conveniente ridurre anche drasticamente la portanza sviluppata da un'ala per consentire una rapida perdita di
quota
(e ad esempio il caso degli
alianti
, dotati solitamente di una elevata
efficienza
: ridurre la portanza a bassa quota facilita l'atterraggio).
[3]
Anche gli
aerei di linea
usano questa tecnica subito dopo l'atterraggio, perche l'efficacia della frenata, dopo il contatto delle
ruote
con il suolo, dipende grandemente dal
peso
che grava sulle ruote stesse.
Tale riduzione di portanza viene ottenuta dai
freni aerodinamici
o dai
diruttori di flusso
, (detti anche
spoiler
): si tratta di elementi mobili, posti sul dorso dell'ala, che possono alzarsi staccando il flusso d'aria e creando una bolla di ricircolo a pressione ambiente e quindi eliminando quasi completamente la portanza in quel punto dell'ala.
Un'altra funzione degli
spoiler
e la correzione in volo dell'
imbardata
inversa prodotta dal movimento degli alettoni durante la
virata
. In questo caso infatti l'ala che si solleva, per effetto della deflessione in basso dell'alettone, produce una resistenza indotta
[4]
maggiore dell'ala che si e abbassata. Ne consegue un movimento di imbardata che porta il muso dell'aereo in direzione opposta al senso di virata. Nei moderni aerei commerciali questa imbardata si compensa con i
flight spoiler
, ovvero si solleva il deflettore sull'ala che si abbassa - dove cioe l'alettone e ruotato verso l'alto - compensando in questo modo la resistenza indotta dell'ala opposta.
Vi sono casi nei quali si desidera incrementare la portanza sviluppata da un'ala, tipicamente alle basse velocita. Di solito cio avviene nelle fasi decollo e di atterraggio.
Tale aumento viene ottenuto da strutture mobili che modificano il profilo alare, aumentandone spesso anche la corda: si parla in questo caso di
flap
(quando le parti mobili modificano il bordo di uscita) oppure di
slat
(quando le parti mobili modificano il bordo di entrata dell'ala).
Durante il volo normale, invece, tali strutture vengono ritirate, perche solitamente queste superfici non incrementano soltanto la portanza, ma anche la resistenza dell'ala (rendendola poco idonea al volo ad alte velocita).
Gli
alettoni
sono sezioni mobili dell'ala, incernierati lungo il bordo di uscita. Un alettone e in grado di variare le caratteristiche aerodinamiche dell'ala in cui si trova aumentandone o diminuendone la portanza.
Se vengono utilizzati gli alettoni di una sola semiala, il risultato e una variazione di assetto dell'intero apparecchio, principalmente attorno all'asse di rollio.
Le
Paretine antiscorrimento
sono sezioni fisse dell'ala, incernierati lungo il bordo d'attacco. questo elemento viene utilizzato per ridurre la componente che scorre lungo il bordo d'attacco nelle ali a freccia e che andrebbe poi ad accentuare i
vortici d'estremita d'ala
, andando in parte a svolgere la funzione dell'
aletta d'estremita
.
Oltre alla funzione aerodinamica, alle ali sono spesso demandati anche altri compiti, che richiedono elementi strutturali specifici:
- Dispositivi antighiaccio
a riscaldamento o pneumatici: Su molti aerei, soprattutto di linea, il bordo d'attacco puo essere dotato di dispositivi antighiaccio: la formazione di ghiaccio sulle ali e infatti pericolosa. I dispositivi antighiaccio si dividono in due categorie:
- Dispositivi Anti-icing: che prevengono la formazione del ghiaccio sulle varie superfici
- Dispositivi De-icing: che hanno il compito di eliminare il ghiaccio formatosi sulle superfici
- Caverie e comandi
: nell'ala trovano posto tutti i cavi ed i rimandi necessari per muovere le superfici di cui sopra.
- Motori
: spesso i motori sono posizionati sulle ali e, in questi casi, le ali hanno opportuni castelli e rinforzi per il contenimento del peso e per il trasferimento all'intero apparecchio della spinta generata dai motori.
- Serbatoi
: il posizionamento dei serbatoi nelle ali ha il vantaggio di mantenere le variazioni di peso legate al consumo di
carburante
in una posizione vicina al
baricentro
dell'intero apparecchio, riducendo gli effetti delle variazioni stesse sull'
assetto
di volo. I serbatoi degli aerei sono realizzati in modo da minimizzare l'effetto del
rollio
del carburante.
- Carrelli retrattili
: il posizionamento dei carrelli nelle ali si rende necessario per ottenere una distanza sufficiente tra le ruote medesime, dando stabilita al mezzo quando si muove al suolo (e durante l'atterraggio). Considerazioni legate alla resistenza che le ruote genererebbero ad alte velocita ne suggeriscono la 'scomparsa' durante il volo: esse vengono richiamate in appositi alloggiamenti ricavati nella ali stesse.
- Luci di posizione
: Servono soprattutto per poter essere visibili da altri aeromobili e dalla
torre di controllo
.
- Armi
,
munizioni
: nel caso di aerei ad uso militare; anche in questo caso valgono le considerazioni di peso svolte per il carburante.
- ^
(
EN
)
Washington Post - Richard Whitcomb
, su
washingtonpost.com
.
- ^
Unita 2 L'Aeroplano e le sue parti pag5
(
PDF
)
(archiviato dall'
url originale
il 2 agosto 2016)
.
- ^
L'
effetto suolo
tende a far galleggiare il velivolo.
- ^
La resistenza e funzione della portanza: quando quest'ultima aumenta, in generale aumentera anche la resistenza. La teoria della
resistenza indotta
e una teoria che permette di tener conto degli effetti delle estremita alari sulla resistenza.