Un corpo rigido investito da un fluido in vena bidimensionale è sottoposto,
sulla superficie di separazione tra fluido e corpo stesso, ad azioni tangenziali
t e normali p che, come effetto globale possono essere ricondotte a una
risultante applicata in un determinato punto, detto centro delle pressioni.
Tali forze dipendono dal tipo di flusso che si stabilisce intorno all’oggetto,
funzione, a sua volta, della forma del profilo. Profili allungati nella direzione
della vena incidente presentano una bassa forza di resistenza e a seconda
della direzione della vena incidente, possono avere una elevata portanza.
Per tali oggetti lo strato limite aderisce su tutta la superficie, non si ha distacco
di vena e di conseguenza non si verifica la formazione di vortici. In tal caso le
azioni tangenziali contribuiscono in modo non trascurabile alla forza di
resistenza, mentre il contributo delle azioni normali alla forza di resistenza
(resistenza di forma) è piccolo. Viceversa per corpi tozzi (“bluff-bodies”), come
ad esempio un cilindro a sezione circolare, sono soggetti a una forza di
resistenza elevata: in tali corpi, per numeri di Reynolds(1) Re>800-1000 si ha
formazione e distacco di vortici.
Il distacco di vena che si instaura su tali profili non allungati crea una scia di
vortici alternati che produce forze di resistenza e di portanza variabili nel
tempo anche se la velocità della vena incidente ha modulo e direzione
costante.
In effetti i coefficienti aerodinamici sono funzione del numero di Re:
– in regime laminare (Re<1000) la resistenza è dovuta prevalentemente dalle azioni tangenziali.
– Per 1000>Re>105 il regime del flusso diventa turbolento con strato limite
laminare
– Per Re>105 (Re critico) in funzione della scabrosità del cilindro lo strato
limite diventa turbolento e si ha diminuzione di resistenza:
contemporaneamente si attenua di molto il distacco di vortici rispetto a quello
che si verifica nelle zone precedenti
– Per Re>106 il coefficiente di resistenza torna a salire: in tale regione si
manifesta ancora il distacco dei vortici anche se in misura inferiore.
Riassumendo: i fattori che concorrono alla resistenza di un corpo che si
muove in un fluido dipendono dalla forma del corpo, dall’angolo d’incidenza
del corpo con la vena bidimensionale di fluido, e dal regime di moto
(laminare, turbolento, turbolento pienamente sviluppato) il quale è
mutuamente legato alla scabrezza della superficie del corpo.
Sono da preferire quindi corpi con profili tali da ridurre al minimo il distacco
dei vortici (es. il profilo alare ammesso che sia investito dalla vena con
opportuna angolazione) e con scabrezze tali da formare sulla superficie lo
stato limite turbolento.
In pratica la scabrezza della superficie permette la formazione di una
‘pellicola’ di fluido la quale presenta una bassa resistenza con il fluido stesso;
i delfini ad es. hanno una pelle molto porosa e sullo stesso principio sono
sviluppati gli scafi delle barche a vela (es. Luna Rossa).
Note:
(1) il numero di Reynolds rappresenta il rapporto tra le forze d’inerzia e quelle
viscose