Alla fine del secolo scorso, la letteratura scientifica sulle condutture idrauliche a forma di U rovesciata era estremamente limitata. Si potrebbe affermare che questo importante ramo della scienza era quasi inesistente quando, nel dicembre del 1903, il primo aeroplano si alzò in volo. Con il rapido e impressionante progresso dell'aviazione, nacque l'esigenza di ricerche sistematiche, tecniche e pratiche nel campo dell'aerodinamica.

Aerodinamica Sperimentale

Nel trattare l'argomento, ripercorreremo brevemente il percorso fatto, partendo dalle esperienze che hanno, se non preceduto, accompagnato lo sviluppo della teoria.

Cenno sulla Similitudine Meccanica

Negli studi sperimentali di aerodinamica, si ricorre spesso a modelli, per facilità di costruzione e per semplicità di esperienza. Il modello è prezioso nelle esperienze di aerodinamica perché si presta a mettere in evidenza l'influenza reciproca dei vari organi, quella che comunemente si chiama ombra od induzione aerodinamica di ciascuno degli elementi costituenti la macchina, sugli altri.

Per l'interpretazione delle esperienze eseguite su modelli è necessario dunque fare appello al principio di similitudine meccanica. Scelte, come fa il Jouguet, come fondamentali la lunghezza L, la densità D e la velocità V, tutte le altre grandezze che entrano nelle equazioni del moto dei fluidi avranno dimensioni in rapporto alle grandezze scelte. Quelle della forza saranno L2 D V2 (dovendosi moltiplicare le dimensioni dell'accelerazione per quelle della massa che sono D L3); conseguentemente le dimensioni della pressione unitaria saranno D V2.

Prescindendo dunque dalle cause perturbatrici, delle quali più oltre parleremo, i tre rapporti α, δ, ϕ sono arbitrarî, di modo che per studiare il moto di un corpo in un certo fluido ad una certa velocità, si potrebbe studiare quello di un altro corpo, geometricamente simile e similmente orientato, ma di dimensioni qualsiasi, che si movesse in un fluido qualunque ad una velocità qualunque. In pratica, però, la scelta di α, δ, ϕ non è arbitraria perché questi tre rapporti non sono indipendenti l'uno dall'altro a causa delle accennate perturbazioni nell'applicazione generica del principio.

1. Gravità

Sia uguale ad 1, perché l'accelerazione della gravità resta la stessa nei due movimenti. Sarà ϕ = √α: ciò significa che, volendo realizzare in piccolo una esperienza, e tener conto che entrambi i moti si verificano nel campo dell'accelerazione della gravità, bisogna ridurre la velocità d'esperienza nel rapporto delle radici quadrate delle dimensioni lineari.

2. Viscosità

Se supponiamo che una massa fluida sia idealmente scomposta in tanti strati paralleli e che la velocità in ogni punto della massa abbia direzione costante e intensità proporzionale alla distanza del punto da un piano fisso parallelo agli strati considerati, si ha il cosiddetto moto laminare che si presta a dare un significato fisico al coefficiente di viscosità. In questo moto ogni strato esercita su quello attiguo una resistenza tangenziale che si oppone allo scorrimento di uno strato sull'altro e che conseguentemente, per le ipotesi fatte, risulta proporzionale all'area della superficie e alla variazione della velocità nei punti situati sulla normale agli strati e riferita alla unità di lunghezza.

Questa resistenza si chiama viscosità. Il coefficiente di viscosità μ è la forza riferita a una superficie unitaria e all'unità di variazione della velocità nei punti di detta normale. Quindi, per mantenere la similitudine, il coefficiente di viscosità deve essere moltiplicato per α, δ, ϕ.

3. Compressibilità

Per tenerne conto si suppone che il fluido sia un gas perfetto e si comincia col trascurare la gravità e la viscosità. Se i movimenti sono adiabatici si adopereranno fluidi nei quali il rapporto dei calori specifici sia lo stesso in modo che m non cambi. Perciò, se le esperienze del modello si fanno nello stesso fluido del vero alla stessa densità e temperatura (e quindi alla stessa pressione), sarà γ = δ = 1 e quindi ϕ = 1.

Principio del Moto Relativo

Supponiamo che un corpo C immerso in una massa fluida M indefinita sia in moto rettilineo ed uniforme a velocità V: nella massa fluida avviene un certo movimento in conseguenza del quale il corpo risente una resistenza Rm. Essendo però il moto relativo del corpo rispetto al fluido restato lo stesso, non potrà essere intervenuto alcun cambiamento nelle forze in giuoco nel fenomeno, onde si dovrà teoricamente avere la stessa resistenza. Di qui deriva che, invece di sperimentare col corpo in moto alla velocità V nell'aria ferma, è possibile raggiungere l'intento tenendo fermo il corpo e facendogli muovere contro il fluido con velocità −V.

In una prima approssimazione, però, come molteplici esperienze hanno provato, è possibile adoperare questa seconda via sperimentale che presenta rilevantissimi vantaggi di economia e di comodità di lavoro. c) il moto del fluido è solo macroscopicamente irrotazionale mentre si ha effettivamente una periodica formazione di vortici.

Misura della Velocità

Uno dei primi problemi che si presentarono allo sperimentatore è quello della misura della velocità d'un fluido. Misurare la velocità del corpo, a fluido fermo, è abbastanza facile: basta tener conto su diagramma degli spazî percorsi in funzione del tempo; la misura invece della velocita della corrente d'aria che investe il corpo fermo, presenta non lievi difficoltà, anche prescindendo dal fatto che la corrente non ha velocità assolutamente uniforme, per quante precauzioni siansi prese per renderla tale. Gli strumenti usati, detti pneumometri, sono derivati dal tubo di Pitot.

Per tener conto della pressione statica dell'ambiente in cui si misura la velocità, poiché il manometro è tenuto fuori di questo, si sono escogitati molti dispositivi: uno di questi consiste nell'avvolgere la parte ripiegata del tubo di Pitot con un cilindro (raccordato all'orifizio del tubo) sulle cui generatrici sono praticate, in opportuna posizione, dei forellini in comunicazione con l'altra estremità del manometro ad U.

L'allora tenente Arturo Crocco inventò (1903) un istrumento destinato a misurare non solo la intensità, ma anche la direzione della velocità utilizzando il pneumometro Krell. Il Crocco osservò che quando le facce del disco giacevano nel letto della corrente, le pressioni ai due fori si equivalevano e il manometro non accusava dislivello, mentre questo diveniva sensibilissimo per una variazione di angolo piccolissima: e costruì così un pneugoniometro, adatto sia a dare la misura della direzione della velocità come intersezione di due giaciture, sia quella della intensità con una rotazione di 90 gradi rispetto alla detta direzione.

Altro mezzo adoperato per la misura della velocità è il tubo costruito già dal fisico italiano Venturi. Esso è costituito da due coni tronchi riuniti per la loro base minore: nel restringimento formato nella riunione delle basi l'aria acquista velocità maggiore per la diminuzione di sezione: la conseguente forte depressione è condotta ad una delle estremità del solito manometro ad U, la cui seconda estremità è collegata ad un piccolo tubo di Pitot collocato verso l'apertura maggiore del cono esposto alla corrente.

Manometri e Depressiometri

Oltre al tubo ad U più volte citato si adoperano strumenti varî derivati dallo stesso principio ma adattati alle speciali esigenze. Per esempio, si suole dare ad uno dei rami del tubo una capacità molto grande e all'altro una forma di mezza parabola col vertice tangente all'orizzonte per avere una escursione della colonna liquida abbastanza sensibile alle basse velocità alle quali corrisponde una pressione molto piccola. La sensibilità di tal mezzo di misura è grandissima.

Esso è stato anche utilizzato con successo per determinare la direzione della velocità, adoperando tre brevi tronchi di filo invece di uno solo, disposti secondo gli spigoli di una piramide isoscele, riscaldati elettricamente ed esposti alla corrente. Se la direzione del vento forma angoli uguali coi tre fili, essi sono ugualmente raffreddati e quindi risultano uguali le resistenze ohmiche.

Metodi per la Misura della Resistenza dell'Aria

Apparecchi di Caduta

Nel 1892 Cailletet e Colardeau eseguirono esperienze dal secondo piano della torre Eiffel nel laboratorio da essi ivi organizzato. Il corpo di cui si voleva studiare la resistenza, zavorrato opportunamente di piombo per ottenere nella caduta una prefissata velocità uniforme, corrispondente al peso dell'insieme così formato, uguale al valore della resistenza, veniva sospeso ad un filo che si svolgeva da tronchi di cono, ogni tratto di 20 m.

L'ing. Gustavo Eiffel riprese le esperienze dei Cailletet e Colardeau nel 1903 nella sua torre e condusse una serie sistematica di prove su corpi dalle forme più varie, servendosi di un apparecchio più grande e più perfezionato di quello adoperato dai suoi predecessori. L'apparecchio di misura che seguiva il corpo nella caduta, era guidato da un cavo verticale e registrava la resistenza mediante opportune molle antagoniste, ed i tempi mediante un diapason.

Esperienze con Locomotive e Carrelli Automobili

Le prime furono eseguite dal Duchemin verso il 1840 in acqua, nel canale di S. Maur alla profondità di m.

Il milionario francese Henry Deutsch de la Meurthe, elargì la somma di fr. 500.000 con fr. 15.000 annui di assegno, con cui fu fondato, a Saint Cyr presso Parigi, l'Istituto aerotecnico diretto da Maurain e Toussaint (1910), che comprendeva un maneggio del quale è fatto cenno altrove, un tunnel a ventilatore, varie officine e una pista rettilinea a rotaie lunga originariamente m. 1400 sulla quale scorreva un carrello elettrico capace di raggiungere la velocità di 90 km-ora e destinato alle prove al vero di ali, eliche, e di altri corpi: si riconobbe subito che gli oggetti in esperimento dovevano essere portati molto avanti al carrello per diminuire l'influenza, inquinatrice dei risultati, dovuta alla deviazione del flusso dell'aria prodotta dal carrello in moto. Con questo carrello.

In Francia il duca Grammont de Guiche eseguì (1911) varie serie di esperienze su superficie alari trasportate da una automobile in uno dei viali della sua villa. Tutte queste misure sono viziate, talune in minor grado altre in modo rilevante, da errori inerenti al metodo.

Il Costanzi nel 1919 sul campo sperimentale di Montecelio, predispose un aeroplano alle prove manometriche praticando piccoli fori sul dorso delle ali, sul ventre di queste e sulla superficie esterna della fusoliera; ciascuno di detti fori faceva capo ad una capsula manometrica che registrava su un cilindro affumicato le pressioni verificatesi nella regione nella quale sboccava il foro. Era così possibile, durante il volo e durante le evoluzioni, avere il quadro della distribuzione in ogni istante di queste pressioni e quindi degli sforzi elementari cui fusoliera e velatura erano sottoposte.

Esperienze a fini aeronautici in acqua furono condotte dal 1906 dal Crocco e proseguite dal Costanzi, sotto la direzione di quello, in una vasca Froude appositamente costruita a Roma presso la brigata specialisti.

Il Crocco ebbe l'idea di adoperare questo mezzo d'indagine, introdotto dal Froude nel 1871 per scopi di architettura navale.

Moto Circolare

Altra via sperimentale è quella del cosiddetto maneggio o molinello: consiste nel fare muovere il corpo intomo ad un asse a conveniente distanza da questo e a velocità diverse di rotazione misurando, con appositi strumenti, il valore della corrispondente resistenza incontrata dal corpo e la sua direzione e posizione.

Il metodo è viziato dall'influenza del fenomeno di trascinamento del fluido messo in moto dal corpo stesso e specialmente dal suo supporto, dopo qualche giro, e dalle azioni centrifughe nell'aria.

Nel 1874 il Hagen determinò per questa via la resistenza al moto di piastre piane di varie dimensioni: i fratelli Lilienthal sperimentarono nei 1889 lamine piane e curve; il Langley, pure nel 1889, nell'osservatorio d'Allegheny in Pennsylvania, sperimentò anch'egli piastre di varie forme. Analoghe esperienze fecero il von Lossl nel 1891 e il Dines nel 1899, il Mannesmann pure nel 1899, il Reichel nel 1901, il col. Renard nel 1902. Nel 1903 l'ing. Finzi e il dott.

Il Crocco applicò il metodo del maneggio in una vasca circolare ad acqua ed eseguì una lunga e notevole serie di esperienze per determinare i coefficienti delle sue formule sulla stabilità nel moto, in evoluzione, di modelli di dirigibili.

Metodo del Tunnel

Questo metodo cominciò ad essere adoperato in Italia nel 1903 dal Crocco: egli, per produrre la corrente necessaria, utilizzò un gassometro ad ossigeno: poté in questo impianto primitivo verificare la sua legge del rettangolo della velocità che formò uno degli elementi principali per le successive ricerche sue e di altri matematici nei riguardi delle leggi aerodinamiche della stabilità degli aerei: altro piccolo impianto di quell'epoca era quello del col.

Un tunnel fu costruito dallo Stanton (1903-1904) nel National Physical Laboratory in Inghilterra, con asse verticale e sezione quadrata di m. Altri furono costruiti dal Maxim, pure in Inghilterra, ad asse orizzontale ed a sezione quadrata di m. 0,52, e dal Riabušinsky.

Nel 1904 il Crocco costruiva un secondo tunnel a Roma a ventilatore centrifugo soffiante con camera di regolazione della corrente, a sezione quadrata di m. 0,80 di lato, ed un terzo tunnel nel 1909 pure a Roma, con ventilatore centrifugo soffiante a sezione quadrata di m. 2 di lato. In questo tunnel il Crocco ed il Costanzi condussero una serie di ricerche sistematiche sulle eliche.

Questo terzo impianto fu sostituito nel 1912 da un quarto tuttora in funzione a circuito chiuso su brevetto Crocco: dall'epoca ora ricordata ad oggi l'attività di detto tunnel fu intensissima e diretta a fornire gli elementi di prova sperimentale sui modelli presentati dai costruttori di dirigibili e di aeroplani.

Esso è costituito da un condotto cilindrico di m. 2 di diametro raccordato a due tronchi di cono, uno collettore della corrente d'aria, uno diffusore di questa: alla base del cono diffusore è situata un'elica che aspira aria e la ricaccia per due grandi condutture a sezione rettangolare verso il collettore. Nella parte cilindrica traversante una vasta sala hanno luogo le esperienze.

Lo stabilimento di ricerche aerodinamiche di Gottinga sorse per iniziativa della Motorluftschiff Studiengesellschaft nel 1909 sotto la direzione dell'ing. Questo tunnel. L'attuale tunnel Prandtl di Gottinga è un ingrandimento del precedente: ma il condotto di ritorno invece che allo stesso livello di quello di esperienza è al di sotto di questo. La vena fluida circolare con m. 2,25 di diametro e 50 m/sec.

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