L’elicottero vola. Come vola? Facile.
Lui non lo sa ma riesce a farlo.
Per volare abbiamo due possibilità: essere più leggeri dell’aria… oppure esserne più pesanti.
All’inizio del 900 la corsa sembrava vinta dalle macchine più leggere dell’aria.
Dirigibili e mongolfiere sfruttano il principio di archimede: un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume di fluido che lui sposta. Tale principio permette alle portaerei pesanti migliaia di tonnellate di galleggiare, ma permette ai dirigibili ed alle mongolfiere di librarsi nei cieli.
Dai fratelli Montgolfier, che davanti a Luigi XVI nel 1783 scaldando l’aria contenuta in un pallone risucirono a staccarsi dal suolo, queste si evolsero fino agli Zeppelin della germania nazista. Aeronavi che facevano rotte transoceaniche, con passeggeri paganti. Il loro limite era dato dal gas che usavano. All’aria calda dei fratelli francesi di fine 700 si era sostituito l’idrogeno, gas molto più leggero dell’aria. Questo permetteva a macchine di 118 tonnellate di volare. Il disastro dell’Hindenburg nel 1937 (costato la vita a 35 delle 97 persone a bordo) mise in risalto la pericolosità intrinseca di queste macchine.
Fu così che Davide si prese la rivincita su Golia.
Nel 1937, nel nulla della campagna americana due fratelli statunitensi, Orville e Wilbur Whright, dimostrarono al mondo che un oggetto più pesante dell’aria poteva staccarsi dal suolo. Poteva volare. Costruirono una macchina caratterizzata da una parte che nessuno aveva realizzato prima: l’ala. Cos’è un ala?
E’ una struttura (lignea, metallica, composita… di qualsiasi materiale si voglia) caratterizzata da una forma particolare. Se ne esaminiamo una sezione (tagliando l’ala con un coltello come se affettassi una torta) possiamo osservare che ha una forma particolare, curiosa, chiamata profilo aerodinamico.
Il profilo genera una forza aerodinamica. Spieghiamoci meglio.
Se mentre viaggiamo in auto mettiamo una mano fuori dal finestrino sento una spinta sulla mano. Se la metto parallela al terreno, la spinta sarà bassa. Se la metto perpendicolare al terreno la spinta sarà molto maggiore.
La forza che sento si chiama forza aerodinamica.
L’ala è caratterizzata da una forma che genera una forza aerodinamica inclinata prevalentemente verso l’alto. Questo non avviene alla nostra mano fuori dal finestrino…… perché essa non possiede un profilo aerodinamico.
Quando un corpo è investito dall’aria le particelle d’aria che il corpo incontra si dividono. Una parte passano sotto di esso, una parte passano sopra. Per un principio della fisica (teorema della quantità di moto) le particelle d’aria che si separano davanti al corpo devono reincontrarsi nello stesso istante dopo il corpo.
Il profilo aerodinamico è fatto in maniera tale che le particelle che passano di sopra debbano fare più strada delle particelle che passano di sotto. Questo obbliga le particelle di sopra, dovendo percorrere più strada, ad essere più veloci delle particelle di sotto. Questa maggiore velocità si trasforma in una depressione, che è al nostra forza aerodinamica.
Gli scienziati ed i progettisti non potendo gestire un vettore F (forza aerodinamica) che in ogni istante e per ogni assetto cambia direzione ed intensità dividono tale vettore nelle sue due componenti: Portanza e Resistenza.
[Devi essere iscritto e connesso per vedere questo link]Tornando alla nostra mano fuori dal finestrino, essa genera una forza aerodinamica che è tutta resistenza, che è molta quando la mano è perpendicolare al terreno, poca quando la mano è parallela al terreno. Ma sempre e solo resistenza. Inclinando la mano sento la mano sollevarsi. La forza aerodinamica che si crea non è tutta resistenza, ma genera anche portanza, che mi solleva la mano. Ma sono in parti uguali. E’ un profilo aerodinamico scarsamente efficiente.
I profili degli aerei partono almeno da rapporti di 7-8 : 1 (la portanza è 7 volte maggiore della resistenza) ma la nostra mano è simmetrica, è lì il problema.
Le ali degli aerei hanno profili altamente asimmetrici.
Un aereo per volare sfrutta il motore che lo fa avanzare, avanzando l’aria investe l’ala….. ad una certa velocità la depressione è tale che l’aereo si stacca dal suolo. Vola.
Come vola un elicottero? Allo stesso modo. Troviamo qui un rotore con un numero di pale che è minimo 2 ma può salire fino a 7. Ogni pala è una vera e propria ala. La stessa ala che ha un’aereo. Quando il motore dell’elicottero parte pone in rotazione il rotore, all’aumentare della velocità ogni singola pala produce forza aerodinamica, quindi portanza, che ad un certo punto solleva l’elicottero.
Questo è perché volano aerei ed elicotteri. Il questito immediatamente successivo è come volano. Come manovrano?
Le manovre degli aerei vengono indotte dai comandi di volo su cui agisce il pilota (volantino e pedaliera) che pongono in movimento superfici mobili presenti sia nelle ali stesse (alettoni)che nella parte posteriore dell’aereo (timone e stabilizzatori).
Quando il pilota di un aereo vuole cabrare tira il volantino a se, gli stabilizzatori si inclinano e provocano la cabrata dell’aereo. L’inverso per picchiare.
Quando il pilota vuole virare a destra spinge il volantino a destra, gli alettoni si muovono per avere che la semiala destra produca meno portanza e la semiala di sinistra produca più portanza. L’effetto sarà che l’aereo vira a destra. La manovra viene accompagnata dal timone di coda (comandato dalla pedaliera del pilota) che accompagna la virata impedendo all’aereo di “scivolare” via.
Sull’elicottero la faccenda è più complicata. Non abbiamo timoni, ne superfici mobili. Abbiamo un rotore sopra il pilota (rotore principale) ed uno, più piccolo, alle sue spalle (rotore di coda).
Quando il pilota vuole aumentare quota tira il comando posto alla sua sinistra (comando collettivo) aumentando il passo (l’inclinazione) di ogni singola pala allo stesso modo. Più passo = più portanza, l’elicottero sale.
Quando il pilota vuole andare avanti, spinge il comando posto davanti a lui (comando ciclico) inclinando il disco del rotore in avanti. Lo stesso avviene quando vuole andare a sinistra, indietro, a destra.
L’inclinazione del disco rotore avviene tramite un dispositivo chiamato piatto oscillante. Tale meccanismo induce ad ogni pala uno specifico passo per ogni punto che essa percorre nel suo moto di rotazione. Il movimento sincronizzato di tutte le pale provoca lo spostamento del disco (e quindi dell’elicottero che sotto ne è appeso) nella direzione voluta.
Il pilota con i pedali , infine, induce una cambio di spinta al rotore di coda, provocando il cambiamento di prua all’elicottero stesso (l’equivalente all’effetto del timone presente nella deriva degli aerei).
Il dover agire su tre comandi contemporaneamente (ciclico, collettivo e pedaliera), la loro integrazione e somma sul rotore principale, la loro complessità di realizzazione meccanica, pongono la complessità dell’elicottero ad un gradino decisamente più elevato di quella dell’aereo.
L'elicottero è dunque caratterizzato da corpi in rotazione: dalla trasmissione principale (che riduce il numero dei giri dell'albero motore da cui prende il moto al numero di giri del rotore principale) dagli alberi di collegamento, ai rotori (principali e di coda).
Rotazione = vibrazioni
L'elicottero è una sorgente infinita di vibrazioni, la cui gestione (per la vita stessa della cellula, ma anche per il semplice comfort dell'equipaggio) è sempre nel mirino dei progettisti. Sistemi meccanici prima, elettrici poi, elettronici oggi tendono a gestirle, creando magari vibrazioni in controfrequenza che le annullino.
Sorgente privilegiata di vibrazioni è il rotore principale.
Le pale seppur molto simili non sono tutte esattamente uguali. La loro costruzione (passata dal legno, al metallo, alle fibre di carbonio oggi) rende impossibile che siano esattamente uguali. Sia in termini di geometria, che di distribuzione dei pesi, che di svergolamento quando la pala è sotto carico.
Questo comporta che due pale collegate sullo stesso rotore dovrebbero, guardandone l'estremità, lo stesso percorso. Dovrebbero essere in tracking.
Questo è il punto di partenza. Dovrebbe bastare. In teoria.
Due pale possono ruotare sullo stesso disco, alla stessa altezza quindi, ma sviluppare portanza diversa. Per leggera diversità di profilo. Oppure per diverso svergolamento.
Generando portanza diversa le pale scuotono il rotore, ogni volta che esso compie un giro di rotazione completo. Questa vibrazione si chiama "verticale" e la sensazione è proprio quella di stare su una lavatrice che esegue la centrifuga.
Il rotore inoltre ha un punto di rotazione, il centro del mast (l'albero su cui esso gira) che dovrebbe coincidere con il baricentro del rotore stesso. Anche questo in teoria. Per sommatoria di tolleranze sia sul mozzo che sulle pale del rotore stesso accade che il baricentro del rotore non coincida con il punto di rotazione del mast stesso.
Ad ogni giro del rotore si ha uno sbandamento indotto da questo errore. Tale vibrazione si chiama "laterale".
Questo vale per tutti gli elicotteri e già mi sembra sufficiente. Il Bell 412 con il suo mozzo realizzato in due semirotori, distanti 44 mm l'uno dall'altro, ha una terza vibrazione "longitudinale" indotta proprio da questa sua caratteristica costruttiva.
E' il solo ad averla.
La gestione contemporanea delle 3 vibrazioni in tutti gli assetti di volo (terra, hovering, salita, livellato, discesa) ed il raggiungimento di un livello di confort che il cliente si aspetta da vita ad una partita a scacchi che può durare anche diverse settimane.
Una partita tra il tecnico ed il demone che dorme in quel rotore.
Ecco fatto Dante.
Non ho la tua capacità narrativa, neppure una briciola. Ho cercato di farla il più semplice possibile. ......
E' svenuto
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