L’aerodinamica è lo studio del comportamento dell’aria e di altri gas in movimento, soprattutto quando interagiscono con i solidi. Il termine aerodinamica deriva dalle parole greche “aero” (aria) e “dynamis” (forza). Questa disciplina è una branca della meccanica dei fluidi e ha molte applicazioni nell’ingegneria aerospaziale, automobilistica, meteorologica e persino sportiva.

Applicazioni dell’aerodinamica

L’aerodinamica viene utilizzata nella progettazione di aeroplani, razzi e automobili. Viene altresì impiegata nell’ingegneria eolica.

L’aerodinamica può essere suddivisa in tre aree principali: cinematica, dinamica e termodinamica. La cinematica studia il moto di un fluido senza considerare le forze che lo provocano. La meccanica studia il moto del fluido e le forze che lo provocano. La termodinamica studia le proprietà termiche dei fluidi in movimento.

Nel settore automobilistico, l’aerodinamica viene utilizzata per studiare il comportamento dei veicoli in relazione al flusso d’aria che si verifica durante la guida. L’obiettivo dei progettisti è quello di ridurre la resistenza aerodinamica del veicolo (per ridurre il consumo di carburante) o di influenzare il suo comportamento dinamico alle alte velocità (ad esempio, per migliorare la stabilità).

Come si misura la resistenza aerodinamica di un veicolo?

La resistenza aerodinamica del veicolo si misura con il coefficiente specifico Cx; le variabili che influenzano il Cx includono la forma della carrozzeria (berlina, station wagon, monovolume, SUV, ecc.), la sezione anteriore del veicolo e la forma del sottoscocca. La resistenza aerodinamica è causata dallo spostamento della massa d’aria che circonda il veicolo e dall’attrito sulla superficie del veicolo.

Prove di simulazione aerodinamica del veicolo

Gli studi aerodinamici dei nuovi veicoli vengono effettuati sia con modelli al computer sia con simulazioni reali nelle gallerie del vento. Negli ultimi anni, i costruttori si sono concentrati maggiormente sull’efficienza aerodinamica, anche nei modelli economici, al fine di risparmiare carburante.

Aerodinamica: cenni storici

L’aerodinamica ha una lunga storia risalente all’antica letteratura cinese. Nel XVII secolo, lo scienziato inglese Isaac Newton formulò le leggi del moto che costituiscono la base della meccanica. Nel XIX secolo, lo scienziato tedesco Ludwig Prandtl sviluppò il concetto di strato limite, uno dei fondamenti della moderna aerodinamica.

Lo studio dell’aerodinamica, storicamente derivato dall’idrodinamica, è stato particolarmente complesso fin dall’inizio. Partendo da una conoscenza puramente empirica dell’aerodinamica, il primo approccio razionale al problema fu compiuto da Newton e portato avanti con rigore matematico, ma ottenendo risultati del tutto inaffidabili. Anche gli studi successivi di J.B. D’Alembert, A.M. LeJandre e A.J. Saint-Venant portarono a risultati contraddittori e di conseguenza venne caldeggiato l’approccio di affrontare i problemi aerodinamici attraverso indagini sperimentali che prevedevano manovre aerodinamiche e costruzioni di gallerie.

I primi studi in questo campo risalgono al 1746, quando l’inglese B. Robbins misurò la resistenza aerodinamica ponendo delle palle di cannone all’estremità del braccio rotante di uno speciale dispositivo, mentre la prima galleria del vento fu costruita dall’inglese Wenham nel 1871. Questi studi, condotti dal francese A.G. Eiffel e dall’americano O.W. Wright, portarono a una comprensione sufficientemente precisa delle leggi fondamentali dell’aerodinamica da consentire il volo della prima macchina volante a controllo autonomo nel 1903.

Verso la fine del secolo scorso, alcuni scienziati, tra cui Lanchester, W.M. Kutta e N.E. Joukowski, si dedicarono allo studio dell’aerodinamica. Nel 1905 Zhukovsky pubblicò le sue fondamentali memorie sul fenomeno del vortice portante, che giustificava teoricamente la possibilità di sostenere forze aerodinamiche. Da questo teorema relativistico, noto come teorema di Kuta-Jukowski, fu derivata la descrizione delle ali con la tecnica delle trasformazioni conformi e questa parte importantissima dell’aerodinamica fu affrontata in modo rigoroso e sistematico, rompendo con l’empirismo precedente.

La teoria permette di valutare gli effetti viscosi dell’aria limitandoli a un sottile strato aderente alla superficie dell’oggetto su cui agisce il flusso, superando così una difficoltà fondamentale nell’approccio teorico ai problemi fondamentali dell’aerodinamica.

L’aerodinamica ad alta velocità iniziò a svilupparsi all’inizio del XVIII secolo, soprattutto per applicazioni nella balistica, ma solo alla fine del XIX secolo E. Mach ne definì meticolosamente le basi matematiche.

A partire dagli anni Sessanta, con l’aiuto dei computer, l’aerodinamica teorica ha consentito di risolvere alcuni problemi che non potevano essere studiati sperimentalmente per i motivi sopra citati.

In sintesi, sebbene le origini dell’aerodinamica possano essere fatte risalire all’antichità, le basi di questa scienza cominciarono a vedersi nel XV secolo grazie ai disegni e alle ricerche di Leonardo da Vinci. Tuttavia, il vero sviluppo dell’aerodinamica moderna avvenne nel XIX e XX secolo con il lavoro di scienziati come i fratelli Wright. L’introduzione di concetti come il principio di Bernoulli e la scoperta delle leggi del moto di Newton rafforzarono ulteriormente le basi teoriche dell’aerodinamica.

Aerodinamica e quotidianità

Negli ultimi anni, le applicazioni dell’aerodinamica si sono estese a campi diversi dall’aeronautica, dove la disciplina ha compiuto notevoli progressi. Tra questi, la ricerca sui compressori ad alta efficienza per le turbomacchine e i diversi tipi di eliche proposti per lo sfruttamento efficiente dell’energia eolica.

Inoltre, l’aerodinamica è importante anche per le attività quotidiane, come il movimento dei fluidi nei tubi di ventilazione.

In generale, l’aerodinamica esterna studia il flusso intorno ai corpi solidi. Le aree di applicazione tipiche includono, ad esempio, la determinazione delle forze di portanza e resistenza sulle ali nell’aviazione e, analogamente, nel settore automobilistico.

Altre aree di applicazione sono la progettazione delle applicazioni hardware. Anche l’ingegneria civile è interessata all’aerodinamica, in particolare all’aeroelasticità per determinare i carichi del vento su ponti e grandi strutture.

L’aerodinamica interna, invece, studia il flusso all’interno di corpi solidi, come quello nei motori e nei condotti dell’aria condizionata.

Il campo dell’aerodinamica industriale spazia inoltre da ricerche sui fenomeni di dispersione dei fumi a esperimenti sulle proprietà aerodinamiche di veicoli terrestri, navi ed edifici. I principali obiettivi della ricerca aerodinamica su auto e moto sono evitare i fenomeni di portanza che compromettono la maneggevolezza e il comportamento su strada a velocità elevate e in presenza di vento forte, garantire un flusso regolare su parabrezza e finestrini, evitare rumori aerodinamici assordanti e fornire sistemi di ventilazione efficienti.

In risposta alla crisi energetica, anche nel campo dei veicoli di tutti i giorni sono in corso ricerche per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica, al fine di ridurre il consumo di carburante alle alte velocità.

Nel campo delle auto da corsa, la ricerca si concentra sulle soluzioni per massimizzare l’aderenza in curva ad alta velocità. Nel caso dei veicoli da competizione, i test sui modelli sono spesso effettuati con un occhio di riguardo alla praticità, in quanto le modifiche possono essere apportate facilmente e rapidamente in base ai risultati dei test. Le prove aerodinamiche su modelli di edifici mirano solitamente a determinare l’effetto aerodinamico che agisce sull’intero edificio, lo scarico di pressione locale e il comportamento aeroelastico. Ovviamente, tali prove richiedono che il modello di edificio sia meccanicamente simile all’edificio reale, non solo in termini di forze aerodinamiche, ma anche di forze elastiche e di massa (seguendo procedure simili a quelle utilizzate nei test aerospaziali).

Quali sono i principi dell’aerodinamica?

I principi dell’aerodinamica si basano su tre leggi fondamentali: la legge di Bernoulli, la legge di Newton e la legge di Poiseuille sulla viscosità. La legge di Bernoulli afferma che quando il flusso d’aria diminuisce, la sua velocità aumenta. La legge di Newton afferma che la variazione della velocità di un oggetto è proporzionale alla forza che agisce su di esso. La legge di Poiseuille sulla viscosità afferma che il flusso di un liquido attraverso un tubo è inversamente proporzionale alla viscosità del liquido.

Quali vantaggi offre l’aerodinamica?

L’aerodinamica offre molti vantaggi, tra cui:

• miglioramento delle prestazioni dei veicoli;
• riduzione del consumo di carburante;
• riduzione delle emissioni di CO2;
• aumento della velocità di un dato veicolo;
• miglioramento della stabilità e del controllo di un dato veicolo.

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