AEREODINAMICA DI UN KITE

Carlo KP 4 dicembre 2012 0
AEREODINAMICA DI UN KITE

Testo e immagini a cura di Piercarlo Ricasoli

Parlare delle prestazioni di un kite evitando di prendere cantonate, richiede un minimo di conoscenza dei concetti aerodinamici che ne governano il volo. In questo ambito, infatti, il senso pratico può trarre in inganno conducendo a valutazioni e conclusioni errate. Cerchiamo quindi di spiegare in modo semplice, con un occhio sempre puntato all’aspetto pratico, alcuni complessi principi aerodinamici che sono alla base del funzionamento dei kite.

Penso di parlare a nome di tutti quando dico che la matematica e la fisica, a vari livelli, ci hanno fatto tribolare o spesso sono risultate incomprensibili. Di certo non avremmo mai pensato, io per primo a un passo dalla laurea in ingegneria meccanica, che alcune equazioni matematiche e pochi principi fisici potessero generare tanto divertimento, passione e addirittura dar vita ad un intero mondo: il kitesurf. Ebbene si, kiterwomen e kitermen, dopo un doveroso grazie ai fratelli Legaignoux, senza i quali la fisica sarebbe rimasta su carta e non a 27 metri dalla nostra tavola che sfreccia sul mare, viene spontaneo chiedersi: da dove viene la forza che spinge il kite e quale meccanismo la genera? Il vento è l’attore protagonista, non v’è dubbio, e il principio di funzionamento del kite, come si usa spesso dire, è lo stesso di un’ala d’aereo. Bene! Siamo a buon punto! Ora vediamo da vicino cosa succede quando un kite è in volo, investito dal vento, ma semplifichiamo i concetti considerando una sezione dell’ala, ottenuta effettuando un taglio parallelo ai bladder (figura), ad esempio al centro del kite. Effettuando il taglio in altri punti i ragionamenti e le conclusioni che seguono valgono lo stesso, ma cambia la forma della sezione e le corrispondenti forze in gioco. Prima di tutto fissiamo alcuni termini utili, aiutandoci con una figura esplicativa (figura 1).

La corda (Chord Line) è il segmento che congiunge il punto più esterno della leading edge con il bordo d’uscita del vento, detto trailing edge. L’angolo di incidenza o di attacco (Angle Of Attack), formato dalla corda con una linea orizzontale, misura l’inclinazione del kite rispetto alla direzione del vento ed è un fattore che, come sappiamo, influisce sulla potenza erogata dall’ala.

Il profilo del kite è, ai fini aerodinamici, formato dalla leading edge e dal canopy (il tessuto che ricopre la struttura gonfiabile) ma in volo si comporta come se fosse pieno, cioè l’aria scorre come si verifica intorno ad un profilo alare, ossia la sezione di un’ala d’aereo.

Quando il kite è in volo, il vento agisce con forze di pressione distribuite in ogni punto della superficie del kite, naturalmente con intensità diversa nei vari punti dell’ala. Per semplificare un discorso che in realtà è piuttosto complesso, e dato che a noi kiter interessa capire l’aspetto pratico di questi fenomeni, studiamo per ora solo l’effetto ottenuto sommando tutte queste forze di pressione, consideriamo cioè un’unica forza agente sulla sezione, detta forza risultante e applicata in un punto particolare detto centro di pressione (CP). A questo punto, però, chi di noi per parlare delle prestazioni di un’ala, ha mai detto “ho comprato questo kite perchè ha un sacco di forza risultante”? Credo nessuno, neanche i più tecnici. Per questo motivo dividiamo la forza risultante in due forze che hanno un significato importante per noi kiter, e i cui nomi sono conosciuti da tutti: il famoso lift o portanza aerodinamica, è la forza a 90° rispetto alla direzione del vento, e il drag o resistenza aerodinamica, parallela alla direzione del vento (figura 2).


Figura 2

Il Lift non è solo la forza che ci fa saltare, che porta in aria quando carichiamo l’ala allo zenith, ma anche la trazione che utilizziamo per planare o effettuare manovre quando l’ala è in potenza.

Possiamo pensare al lift come ad una forza sempre parallela alla direzione dei cavi.

Nelle considerazioni seguenti utilizzeremo le parole lift, forza trainante e portanza aerodinamica per indicare indifferentemente la forza sviluppata dal kite. Il Drag, invece, è la resistenza opposta dall’aria al movimento del kite, argomento che affronteremo in modo approfondito nel prossimo appuntamento.

Come viene prodotto il lift? Il flusso d’aria incontra il kite si divide in due (figura 3): una parte scorre sopra al profilo, l’altra scorre sotto e i due flussi si incontrano dopo il bordo d’uscita (trailing edge).


Figura 3

Le leggi aerodinamiche affermano che l’aria che scorre sopra ad un profilo alare, quindi al kite, è più veloce di quella che scorre sotto, inoltre la legge del Signor Bernoulli, matematico svizzero, dice che nei fluidi in moto maggiore è la velocità, minore è la pressione. Si può concludere, quindi, che nella parte superiore del profilo del kite l’aria ha grande velocità ma bassa pressione, viceversa nella parte inferiore dell’ala, dove l’aria è più lenta, la pressione è maggiore. In virtù di questa differenza di pressione tra parte superiore ed inferiore di un’ala, nella zona inferiore il profilo viene spinto, mentre nella zona superiore viene in un certo senso “risucchiato” e si genera così il tiro del kite, la portanza aerodinamica chiamata lift.

Come avere una prova pratica di questo fenomeno? Basta fare l‘esperienza del cucchiaio.

Occorrente: 1 cucchiaio, 1 rubinetto con acqua corrente, 2 dita. Afferrate il cucchiaio ad una estremità ed avvicinatevi lentamente al rubinetto in modo che l’acqua scorra solo sul dorso del cucchiaio stesso (fase 1). Il senso pratico suggerisce che l’acqua, colpendo il cucchiaio, lo respinga, invece mentre accostate il cucchiaio al getto sentite e osservate come il cucchiaio venga spinto verso l’acqua stessa (fase 2).

La spiegazione? Sul dorso del cucchiaio scorre un fluido, l’acqua, più veloce dell’aria ferma dalla parte opposta quindi, per la legge di Bernoulli, si crea una differenza di pressione che spinge il cucchiaio verso il getto d’acqua. Provate per credere! Questa esperienza dimostra anche che il kite non funziona come una busta di plastica gonfiata dal vento, cioè non tira perché il vento viene imprigionato dalla sua superficie, e spinge su di essa. Il kite eroga potenza perché l’aria, circolando con velocità diverse intorno al suo profilo, produce una differenza di pressione, quindi una spinta che costituisce la forza trainante.

Abbiamo detto che il lift di un kite è prodotto dall’effetto complessivo delle pressioni agenti sul profilo dell’ala. Approfondiamo un po’ il discorso chiedendoci: come sono distribuite queste pressioni sulla superficie di un kite? In quali punti la pressione è maggiore? Rispondiamo a questi interrogativi con il metodo che abbiamo utilizzato finora, al crocevia tra teoria, pratica ed intuizione.

In figura 4 è mostrata una possibile distribuzione delle pressioni intorno ad un profilo alare.


Figura 4

La lunghezza delle frecce indica l’intensità della pressione nel punto corrispondente della superficie: maggiore è la lunghezza della freccia, maggiore è la pressione nel punto corrispondente, e viceversa. Si osserva inoltre, come anticipato, che la pressione in alcuni punti è alta cioè maggiore di quella atmosferica (zone rosse), quindi spinge sul profilo, mentre in altri punti è bassa, minore della pressione atmosferica (zone arancione), ne consegue che il profilo viene in un certo senso “risucchiato”. La pressione ha valore variabile lungo la superficie del profilo, ma la zona che fornisce un contributo fondamentale alla portanza aerodinamica è, come mostrato anche nelle immagini successive, la porzione del profilo superiore più vicina alla leading edge. La distribuzione della pressione sul kite permette di capire quali zone sono maggiormente sollecitate e scegliere, per esempio, un diverso materiale e una differente modalità costruttiva per ciascuna di esse (ad esempio la geometria dei pannelli del canopy).

A questo punto è naturale chiedersi: come variano le pressioni al variare della geometria del profilo del kite e dell’angolo di attacco? Aiutandoci con un software di analisi dei profili alari possiamo visualizzare la distribuzione di pressione intorno a sezioni di forma diversa ma con stesso angolo d’attacco rispetto al flusso d’aria che li investe (figura 5). Nei diversi casi cambiano logicamente le forze che agiscono sul profilo.


Figura 5

Nella figura 6, è visualizzato un esempio di come varia la distribuzione di pressione al variare dell’angolo di incidenza, lasciando inalterata la forma. Teniamo presente che uno dei parametri di progetto di un kite è proprio l’angolo d’attacco. In realtà il kite deve poter performare in un certo range di valori dell’AOA, ma tra essi ne esiste uno per cui l’ala ha la massima potenza. L’AOA, quindi, non ha a che fare solo con la capacità di depotenziamento di un kite, ma fa capire una volta per tutte quanto sia importante mantenere il trim di serie di un’ala, affinché essa possa volare al giusto angolo di attacco ed esprimere tutto il suo potenziale. Troppo spesso, infatti, l’efficienza dei kite viene compromessa da modifiche arbitrarie effettuate soprattutto sulle back lines e sul depower. La parola d’ordine allora è: “non cambiamo il trim dell’ala!” a meno che non sia l’azienda produttrice a comunicare eventuali modifiche.


Figura 6

Nonostante tutte le valutazioni fatte finora siano state semplificate a favore della comprensione dei concetti, non dobbiamo dimenticare che: la forma del profilo varia da sezione a sezione lungo tutto il kite. La superficie del kite non è rigida come un’ala d’aereo ma fatta di tessuto, quindi la forma può cambiare allontanandosi da quella di progetto, con conseguente diminuzione del rendimento del kite, cioè della forza di trazione da esso sviluppata. Per questo motivo tanti sforzi sono dedicati ad irrigidire la struttura dei kite, soprattutto nelle zone chiave, mantenendone la leggerezza.

In questa chiacchierata tecnica sull’aerodinamica dei kite, abbiamo introdotto le forze che agiscono su un profilo alare, quindi sulla superficie di un kite, in particolare il lift. Oltre a chiarirne il meccanismo generatore e collegarlo con la distribuzione di pressione sul profilo, abbiamo visto come il valore della portanza dipenda da due fattori chiave, quali la forma della sezione e l’angolo di incidenza dell’ala con il flusso d’aria. Dalle considerazioni fatte emerge tra tutte un’osservazione: confrontare le prestazioni offerte dalle ali solo in base all’area proiettata o superficie utile è una pratica tanto diffusa quanto superficiale. È vero, infatti, che le forze aerodinamiche, tra cui il lift, crescono all’aumentare della superficie proiettata del kite, ma si possono avere due kite con uguale area proiettata e prestazioni completamente diverse semplicemente perché costruiti con profili diversi e progettati per volare con diverso angolo di incidenza. Addirittura, e non c’è da stupirsi, potremmo trovare un kite più potente di un altro con maggiore area proiettata, soltanto perché ha un profilo più efficiente dal punto di vista aerodinamico. Per rendere l’idea di quanto venga sopravvalutato il valore dell’area proiettata, basti pensare che avere tanti metri quadrati di superficie utile senza adottare per essa un profilo aerodinamico efficiente e un opportuno angolo d’attacco, equivale ad avere una kite grande che tira poco, in definitiva un attrezzo inutile.

I vantaggi che si ottengono con una soluzione, inoltre, devono essere confrontati con problemi di resistenza aerodinamica (drag), rigidezza e peso dell’ala, e velocità di rotazione del kite. I parametri che influiscono sulle prestazioni dei kite sono molti, e la maggior parte sfuggono ai nostri sensi, quindi oltre all’area proiettata, ricordiamo che ce ne sono tanti e tanti altri, non meno e forse più importanti.

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