Viaggio di una molecola d’aria che incrocia una vela – parte 4

Lo studio del viaggio di una molecola d’aria su di una vela che è stato proposto nelle tre puntate precedenti ha avuto l’obiettivo di facilitare la comprensione del comportamento applicando la fisica classica studiata alle scuole superiori.

Con questa puntata proviamo invece ad alzare l’asticella e cercare di comprendere approcci più complessi. Per farlo prendiamo spunto dal documento “Una revisione della teoria moderna sulle vele” di Arvel Gentry che Sandro Caniglia ci ha presentato nel 2022 in una interessante serata che molti lettori ricorderanno.

Da questo documento, di livello tecnico facilitato ma comunque non immediato, prenderemo spunto per presentare alcuni aspetti che riprendono il nostro studio.

Il flusso di circolazione

Se ricordate, nella puntata precedente è stata presentata l’interazione dei flussi d’aria tra estradosso ed intradosso con relativo vortice che si genera verso l’estradosso per l’inevitabile differenza di pressione presente tra i due lati. Una differenza di pressione, in condizioni di flusso laminare, che genera la famosa portanza.

Flusso con vortice all’estradosso

Ebbene, dallo studio di Arvel Gentry quel vortice è chiamato “vortice iniziale” e genera, per il principio di azione-reazione e relativo bilanciamento energetico, un secondo vortice che risale la vela e di fatto attiva un flusso di circolazione che scorre dall’intradosso all’estradosso in modo continuo e quindi in equilibrio.

Flusso circolatorio

Immagino che non sia per niente intuitivo, ma i test sperimentali che ha fatto sono riusciti a dimostrarlo. Non li approfondiamo qui ma, per capire la dimostrazione, suggeriamo di approfondire il punto 4 “L’esperimento della vasca da bagno” a pagina 14-15-16 del documento.

L’esperimento permette di dimostrare la presenza di due flussi attorno ad una vela: Flusso del vento non portante, flusso di circolazione portante che ruota attorno alla vela e che l’esperimento dimostra.

Flusso non portante

Flusso portante

Questo flusso di circolazione è coerente con l’equazione di Bernoulli in tema di bilancio energetico tra velocità (energia cinetica) e pressione (energia potenziale). Infatti all’intradosso la velocità di scorrimento del flusso d’aria è inferiore rispetto all’estradosso e di conseguenza c’è maggiore pressione che è poi l’azione che consente di generare la portanza.

Volendo osservarla al contrario se l’evidenza da più pressione all’intradosso e meno pressione all’estradosso (effetto aspirante) significa che c’è un flusso di circolazione costante che riduce la velocità all’intradosso e l’aumenta all’estradosso.

Questo determina una condizione di equilibrio energetico che viene confermato dalla condizione di Kutta, un matematico tedesco ed esperto di aereodinamica, il quale dimostra, detto in due parole, che l’equilibrio in uscita dalla vela è garantito da un flusso circolatorio.

Una ricerca dell’equilibrio energetico questa che ha come ulteriore evidenza lo spostamento del punto di ristagno (punto cioè dove la velocità del flusso è nulla), dal punto teorico di separazione delle due parti della vela (l’inferitura), verso l’intradosso in funzione dell’incidenza che la vela ha rispetto al flusso.

Punto di ristagno

Non vado oltre riguardo questo punto, ma suggerisco di leggere, con calma, il documento citato con particolare evidenza al punto 7 “Caratteristiche di un’ala monosuperficie”.

Volendo trarre una conclusione, questo studio di fatto rappresenta la ricerca di una logica scientifica razionale, anche se non facilmente comprensibile per i più, con la quale si dimostra la generazione della portanza ed il suo mantenimento in una condizione di equilibrio energetico.

Volendo semplificare, basta tenere presente che il risultato sostanziale di generazione della portanza non cambia ma il fenomeno che lo genera ha alla base non una teoria semplificata, ma uno studio matematico e sperimentale non banale che dimostra in termini energetici il comportamento di una vela.

L’importanza della viscosità

Tutto questo scambio energetico tra flusso circolatorio ed azione portante sulla vela però ha un altro elemento non trascurabile da considerare: la viscosità dell’aria, aspetto che finora non abbiamo messo in evidenza nelle nostre analisi.

L’aria è un gas che ha una propria viscosità, anche se chiaramente diversa da quella che possiamo facilmente comprendere quando osserviamo ad esempio lo scorrere dell’olio in una pentola. Questa viscosità, data dall’interazione delle molecole tra di loro, ha un effetto anche quando l’aria fluisce sulla superficie di una vela. Un effetto dato appunto dall’interazione molecolare che già abbiamo citato quando abbiamo trattato nella seconda puntata l’effetto Coandă.

Di fatto la viscosità fa in modo che l’aria che tocca la vela sia fermata dalla stessa e che mano a mano che questa si allontana dalla vela, la velocità cresca fino alla sua velocità di scorrimento.

Lo strato che dalla vela si allontana fino a raggiungere la propria velocità di scorrimento è chiamato “strato limite” ed è lo strato dove avvengono gli scambi di energia con la vela.

Strato limite

Si tratta di scambi determinanti affinché la famosa portanza possa essere trasferita alla vela e quindi alla barca e favorire il movimento auspicato.

Questo per chiarire un aspetto anche in questo caso per niente intuitivo che, senza viscosità dell’aria, non ci sarebbe scambio di energia con la vela e quindi nessun movimento.

L’argomento del flusso di circolazione non è concluso, perché su di una barca di norma le vele sono due e queste inevitabilmente si influenzano tra di loro… ma di questo parleremo nella prossima puntata.

BV,

Enrico Olioso