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Gli elicotteri sono le vere macchine volanti. Possono decollare e atterrare senza la necessità di una pista. Possono rimanere in volo stazionario. Possono manovrare in qualsiasi direzione in uno spazio a 360 gradi. Questo video svelerà la complessità e la scienza che stanno dietro al volo di un elicottero. Dopo aver esaminato la fisica che sta dietro al volo dell’elicottero, capirete anche perché i piloti di elicottero svolgono un lavoro incredibilmente complesso.
Gli elicotteri usano il principio del profilo alare per generare portanza. Quando le pale ruotano rispetto all’aria, la speciale forma del profilo alare genera una forza di portanza e consente loro di volare. Le pale ricevono la rotazione da un motore, più precisamente da un motore turboalbero. Il compressore aspira l’aria e la comprime. Il combustibile viene bruciato in quest’aria compressa e calda. I gas caldi di scarico che escono dalla camera di combustione attraversano una serie di stadi di turbina e li mettono in rotazione. Ci sono 2 gruppi di turbine. Un gruppo di turbine aziona il compressore, e l’altro gruppo aziona l’albero del rotore dell’elicottero. I motori a reazione degli aerei vengono usati per generare forza di spinta. Tuttavia, la funzione primaria del motore turboalbero dell’elicottero è far ruotare l’albero del rotore.
La parte più impegnativa nel funzionamento di un elicottero sono i suoi comandi. Ciò significa: come può volare in avanti? Come può volare all’indietro? Lateralmente? Oppure come può effettuare una virata? La risposta è piuttosto semplice, basta inclinare l’elicottero verso la direzione in cui si vuole muovere e volare. Quando l’elicottero è inclinato, la forza prodotta dalla pala non è verticale. La componente orizzontale di questa forza farà muovere l’elicottero nella direzione desiderata. La componente verticale della forza della pala bilancerà la forza di gravità. Ora la vera sfida è come inclinare l’elicottero nel modo desiderato.
Per comprendere la scienza che sta dietro all’inclinazione dell’elicottero, dobbiamo imparare di più sul principio del profilo alare. La portanza prodotta da un profilo alare varia con l’angolo di attacco. In generale, maggiore è l’angolo di attacco, maggiore è la portanza.
Ora pensate per un momento a cosa accade se una pala si trova a un certo angolo di attacco e le altre a un angolo diverso. In questo caso, le forze di portanza agenti sulle pale saranno diverse. La variazione delle forze di portanza produrrà certamente una coppia che può far ruotare l’elicottero. Si può osservare il bellissimo movimento delle pale necessario per ottenere questa distribuzione non uniforme della forza di portanza. È chiaro che le pale devono continuare a variare il proprio angolo di attacco in modo che, in una particolare posizione, l’angolo di attacco sia sempre lo stesso.
Un movimento così complesso delle pale si ottiene facilmente mediante un meccanismo a piatto oscillante. Osserviamo prima una vista esplosa e comprendiamo prima i componenti di base. Il piatto oscillante inferiore non ruota, ma può muoversi e inclinarsi come mostrato. Un piatto oscillante superiore è montato sul piatto oscillante inferiore tramite un cuscinetto. Quindi il piatto oscillante superiore può ereditare tutti i movimenti del piatto oscillante inferiore e, allo stesso tempo, può ruotare in modo indipendente. Il piatto oscillante superiore è collegato all’albero del rotore con l’aiuto di un trascinatore. Quindi il piatto oscillante superiore si muoverà sempre insieme alle pale. Le pale sono collegate al piatto oscillante superiore con l’aiuto di aste di comando.
L’aspetto interessante di questa disposizione è che, semplicemente inclinando il piatto oscillante inferiore, saremo in grado di ottenere il requisito della variazione dell’angolo delle pale. Ciò significa che, con questa inclinazione del piatto oscillante, saremo sempre in grado di mantenere un angolo di attacco positivo nella parte posteriore e un angolo negativo nella parte anteriore del disco del rotore. In breve, inclinare all’indietro il piatto oscillante produce una coppia come mostrato.
Gli elicotteri usano il principio del profilo alare per generare portanza. Quando le pale ruotano rispetto all’aria, la speciale forma del profilo alare genera una forza di portanza e consente loro di volare. Le pale ricevono la rotazione da un motore, più precisamente da un motore turboalbero. Il compressore aspira l’aria e la comprime. Il combustibile viene bruciato in quest’aria compressa e calda. I gas caldi di scarico che escono dalla camera di combustione attraversano una serie di stadi di turbina e li mettono in rotazione. Ci sono 2 gruppi di turbine. Un gruppo di turbine aziona il compressore, e l’altro gruppo aziona l’albero del rotore dell’elicottero. I motori a reazione degli aerei vengono usati per generare forza di spinta. Tuttavia, la funzione primaria del motore turboalbero dell’elicottero è far ruotare l’albero del rotore.
La parte più impegnativa nel funzionamento di un elicottero sono i suoi comandi. Ciò significa: come può volare in avanti? Come può volare all’indietro? Lateralmente? Oppure come può effettuare una virata? La risposta è piuttosto semplice, basta inclinare l’elicottero verso la direzione in cui si vuole muovere e volare. Quando l’elicottero è inclinato, la forza prodotta dalla pala non è verticale. La componente orizzontale di questa forza farà muovere l’elicottero nella direzione desiderata. La componente verticale della forza della pala bilancerà la forza di gravità. Ora la vera sfida è come inclinare l’elicottero nel modo desiderato.
Per comprendere la scienza che sta dietro all’inclinazione dell’elicottero, dobbiamo imparare di più sul principio del profilo alare. La portanza prodotta da un profilo alare varia con l’angolo di attacco. In generale, maggiore è l’angolo di attacco, maggiore è la portanza.
Ora pensate per un momento a cosa accade se una pala si trova a un certo angolo di attacco e le altre a un angolo diverso. In questo caso, le forze di portanza agenti sulle pale saranno diverse. La variazione delle forze di portanza produrrà certamente una coppia che può far ruotare l’elicottero. Si può osservare il bellissimo movimento delle pale necessario per ottenere questa distribuzione non uniforme della forza di portanza. È chiaro che le pale devono continuare a variare il proprio angolo di attacco in modo che, in una particolare posizione, l’angolo di attacco sia sempre lo stesso.
Un movimento così complesso delle pale si ottiene facilmente mediante un meccanismo a piatto oscillante. Osserviamo prima una vista esplosa e comprendiamo prima i componenti di base. Il piatto oscillante inferiore non ruota, ma può muoversi e inclinarsi come mostrato. Un piatto oscillante superiore è montato sul piatto oscillante inferiore tramite un cuscinetto. Quindi il piatto oscillante superiore può ereditare tutti i movimenti del piatto oscillante inferiore e, allo stesso tempo, può ruotare in modo indipendente. Il piatto oscillante superiore è collegato all’albero del rotore con l’aiuto di un trascinatore. Quindi il piatto oscillante superiore si muoverà sempre insieme alle pale. Le pale sono collegate al piatto oscillante superiore con l’aiuto di aste di comando.
L’aspetto interessante di questa disposizione è che, semplicemente inclinando il piatto oscillante inferiore, saremo in grado di ottenere il requisito della variazione dell’angolo delle pale. Ciò significa che, con questa inclinazione del piatto oscillante, saremo sempre in grado di mantenere un angolo di attacco positivo nella parte posteriore e un angolo negativo nella parte anteriore del disco del rotore. In breve, inclinare all’indietro il piatto oscillante produce una coppia come mostrato.
Questo tipo di comando è noto come passo ciclico.
Torniamo ora al comando di base dell’elicottero. In che modo questa coppia influirà sul moto dell’elicottero? La risposta più ovvia è che l’elicottero si inclinerà in avanti e si muoverà come mostrato. Purtroppo, questa risposta è completamente sbagliata. Ciò che accade nella realtà è che l’elicottero si inclina lateralmente come mostrato. Questo è sicuramente un effetto strano. Applicando una coppia in una direzione a un oggetto rotante, l’oggetto si inclina in una direzione diversa. Questo effetto è noto come precessione giroscopica.
La precessione giroscopica non è un nuovo fenomeno della fisica. Se applicate con attenzione la seconda legge del moto di Newton agli oggetti rotanti, sarete in grado di prevedere questo fenomeno. Secondo la seconda legge di Newton, la forza è la velocità di variazione della quantità di moto lineare. Analogamente, la coppia è la velocità di variazione del momento angolare.
Consideriamo questa pala in rotazione. Essa avrà un momento angolare come mostrato. Ora supponiamo che l’elicottero si sia inclinato come mostrato a causa dell’azione di una certa coppia. Se sottraete vettorialmente il primo momento angolare dal secondo, potrete determinare la coppia richiesta per questa operazione. È interessante notare che, per inclinare l’elicottero in avanti, la coppia applicata dovrebbe essere diretta lateralmente. Ciò significa che, per inclinare l’elicottero in avanti, il piatto oscillante dovrebbe inclinarsi lateralmente come mostrato.
Si può nuovamente verificare dalla seconda legge del moto di Newton che, se si mantiene la parte anteriore a un angolo di attacco negativo e la parte posteriore a un angolo positivo, l’elicottero si inclinerà semplicemente lateralmente. La precessione giroscopica è un fenomeno davvero affascinante, ma è perfettamente conforme alla seconda legge del moto di Newton.
Se sollevate semplicemente il piatto oscillante inferiore senza inclinarlo, potete vedere come l’angolo di attacco di tutte e tre le pale varia dello stesso valore. Ciò significa che la forza di portanza dell’elicottero sarà la stessa su tutte e tre le pale e l’elicottero potrà salire o scendere senza alcuna inclinazione. Questo tipo di comando delle pale è noto come passo collettivo.
Se avete mai visto un elicottero, sicuramente avrete visto un rotore di coda. Ogni elicottero monorotore ha bisogno di questo rotore di coda per funzionare efficacemente. Senza il rotore di coda, la fusoliera dell’elicottero ruoterebbe come mostrato. Ciò è dovuto a una conseguenza della terza legge del moto di Newton. Per capirlo, concentriamoci sulla parte di trasmissione della forza del rotore. Sappiamo che il rotore riceve la forza di rotazione tramite un ingranaggio conico collegato al motore. L’ingranaggio conico del motore trasmette la forza dell'ingranaggio conico del rotore come mostrato. Tuttavia, secondo la terza legge del moto di Newton, l’ingranaggio conico del rotore dovrebbe trasmettere una forza uguale e contraria all’ingranaggio conico del motore. Questa forza di reazione farà ruotare l’intero elicottero in senso opposto alla rotazione delle pale attorno al centro di gravità dell’elicottero. La funzione del rotore di coda è impedire tale rotazione dell’elicottero producendo una forza sulla coda.
Regolando opportunamente l’angolo di passo delle pale del rotore di coda, il pilota può facilmente controllare la forza del rotore di coda. In questo modo, con l’aiuto del rotore di coda, si può ottenere anche il moto di imbardata dell’elicottero.
Tutta la fisica che sta dietro al funzionamento di un elicottero fa sì che pilotarlo sia un compito davvero impegnativo. Minime variazioni negli angoli di passo delle pale provocano enormi variazioni nel comportamento dell’elicottero. Spesso il pilota deve eseguire due o più operazioni insieme per ottenere il moto desiderato. Inoltre, l’elicottero non risponde istantaneamente ai comandi impartiti, quindi il pilota deve possedere un buon senso dell’equilibrio e della coordinazione per pilotare correttamente l’elicottero.
Torniamo ora al comando di base dell’elicottero. In che modo questa coppia influirà sul moto dell’elicottero? La risposta più ovvia è che l’elicottero si inclinerà in avanti e si muoverà come mostrato. Purtroppo, questa risposta è completamente sbagliata. Ciò che accade nella realtà è che l’elicottero si inclina lateralmente come mostrato. Questo è sicuramente un effetto strano. Applicando una coppia in una direzione a un oggetto rotante, l’oggetto si inclina in una direzione diversa. Questo effetto è noto come precessione giroscopica.
La precessione giroscopica non è un nuovo fenomeno della fisica. Se applicate con attenzione la seconda legge del moto di Newton agli oggetti rotanti, sarete in grado di prevedere questo fenomeno. Secondo la seconda legge di Newton, la forza è la velocità di variazione della quantità di moto lineare. Analogamente, la coppia è la velocità di variazione del momento angolare.
Consideriamo questa pala in rotazione. Essa avrà un momento angolare come mostrato. Ora supponiamo che l’elicottero si sia inclinato come mostrato a causa dell’azione di una certa coppia. Se sottraete vettorialmente il primo momento angolare dal secondo, potrete determinare la coppia richiesta per questa operazione. È interessante notare che, per inclinare l’elicottero in avanti, la coppia applicata dovrebbe essere diretta lateralmente. Ciò significa che, per inclinare l’elicottero in avanti, il piatto oscillante dovrebbe inclinarsi lateralmente come mostrato.
Si può nuovamente verificare dalla seconda legge del moto di Newton che, se si mantiene la parte anteriore a un angolo di attacco negativo e la parte posteriore a un angolo positivo, l’elicottero si inclinerà semplicemente lateralmente. La precessione giroscopica è un fenomeno davvero affascinante, ma è perfettamente conforme alla seconda legge del moto di Newton.
Se sollevate semplicemente il piatto oscillante inferiore senza inclinarlo, potete vedere come l’angolo di attacco di tutte e tre le pale varia dello stesso valore. Ciò significa che la forza di portanza dell’elicottero sarà la stessa su tutte e tre le pale e l’elicottero potrà salire o scendere senza alcuna inclinazione. Questo tipo di comando delle pale è noto come passo collettivo.
Se avete mai visto un elicottero, sicuramente avrete visto un rotore di coda. Ogni elicottero monorotore ha bisogno di questo rotore di coda per funzionare efficacemente. Senza il rotore di coda, la fusoliera dell’elicottero ruoterebbe come mostrato. Ciò è dovuto a una conseguenza della terza legge del moto di Newton. Per capirlo, concentriamoci sulla parte di trasmissione della forza del rotore. Sappiamo che il rotore riceve la forza di rotazione tramite un ingranaggio conico collegato al motore. L’ingranaggio conico del motore trasmette la forza dell'ingranaggio conico del rotore come mostrato. Tuttavia, secondo la terza legge del moto di Newton, l’ingranaggio conico del rotore dovrebbe trasmettere una forza uguale e contraria all’ingranaggio conico del motore. Questa forza di reazione farà ruotare l’intero elicottero in senso opposto alla rotazione delle pale attorno al centro di gravità dell’elicottero. La funzione del rotore di coda è impedire tale rotazione dell’elicottero producendo una forza sulla coda.
Regolando opportunamente l’angolo di passo delle pale del rotore di coda, il pilota può facilmente controllare la forza del rotore di coda. In questo modo, con l’aiuto del rotore di coda, si può ottenere anche il moto di imbardata dell’elicottero.
Tutta la fisica che sta dietro al funzionamento di un elicottero fa sì che pilotarlo sia un compito davvero impegnativo. Minime variazioni negli angoli di passo delle pale provocano enormi variazioni nel comportamento dell’elicottero. Spesso il pilota deve eseguire due o più operazioni insieme per ottenere il moto desiderato. Inoltre, l’elicottero non risponde istantaneamente ai comandi impartiti, quindi il pilota deve possedere un buon senso dell’equilibrio e della coordinazione per pilotare correttamente l’elicottero.