Costruzioni aeronautiche 2

FATTORE DI CARICO

Immaginando di voler eseguire una manovra, si potrebbe arrivare al punto in cui, dopo

aver volato in linea retta, si desidera salire. In tal caso, si modifica la posizione del piano di

coda, creando una traiettoria che non è più orizzontale, ma curva, indirizzando il velivolo

verso l'alto.

Una nuova forza entra in gioco: è l'accelerazione. La forza centrifuga, che agisce sul

velivolo, è una forza di inerzia che si aggiunge al peso del velivolo.

Si suppone di trovarsi già in una situazione di regime, con la manovra attivata, la traiettoria

curvata e la forza di accelerazione in atto. A questo punto, sarà fondamentale considerare

questa forza nelle equazioni.

In particolare, si avrà: (2-23)

− + + ̈ = 0

Dividendo per W i termini della (2-23), si ottiene: 40

̈ (2-24)

1− + =0

̈

Ponendo: , avremo che

= 1 +

̈ (2-25)

= = 1+

si definisce un numero detto fattore di carico normale, per il quale vanno moltiplicate

,

le componenti secondo l’asse delle forze sul velivolo in volo orizzontale non accelerato,

onde ottenere il sistema statico di forze, equivalente a quello dinamico, agente durante

l’accelerazione del moto che si manifesta per effetto della variazione dell’angolo od in

,

volo non orizzontale.

In effetti le forze, che agiscono globalmente sul velivolo in volo orizzontale non accelerato,

sono il peso e la portanza, che ha valore eguale al peso Quando è presente un

= 1.

fattore di carico l’azione delle forze di massa è pari non più al peso, ma a volte

≠ 1,

peso; la portanza dovrà bilanciare tale forza di massa.

Esempio: se ciò significa che sul velivolo agisce un'accelerazione tale da far

= 2,

percepire un peso equivalente a due volte il suo peso reale, ovvero la portanza dovrà

essere il doppio.

Si osservi che, quando il velivolo vola su traiettorie inclinate di un angolo con moto

rettilineo non accelerato, è presente un fattore di carico normale (vedi la seconda

relazione delle 2-17): = (2-26)

+

L =

Wcosp o

+ = -

Analogamente al fattore di carico normale, si possono definire i fattori di carico trasversale

e longitudinale.

Il fattore di carico rappresenta il rapporto tra la forza percepita da un oggetto, come un

velivolo, e il suo peso. Quando il fattore di carico è uguale a zero ( significa che sul

= 0),

velivolo non agisce più la forza peso, poiché questa è stata annullata da un'accelerazione

opposta. È il caso del volo parabolico, una manovra in cui la traiettoria è studiata per

generare un’accelerazione che bilancia esattamente la gravità, creando una condizione di

microgravità. Durante questa fase, sia il velivolo che chiunque si trovi al suo interno

sperimentano l'assenza di peso, come se si trovassero nello spazio. Questa condizione,

tuttavia, è temporanea e dura solo finché l’accelerazione della manovra rimane

costantemente uguale e opposta a quella gravitazionale. Il volo parabolico è spesso

utilizzato per addestrare gli astronauti o condurre esperimenti in microgravità.

Il fattore di carico può assumere valori sia positivi che negativi, con implicazioni diverse

sulle sollecitazioni a cui è sottoposto il velivolo. È essenziale considerare non solo

situazioni in cui il peso apparente aumenta, ma anche quelle in cui il fattore di carico

assume valori negativi. Queste condizioni, pur rappresentando sollecitazioni estreme e di

natura differente, sono comunque rilevanti per il dimensionamento strutturale del velivolo.

Diagramma di manovra

La (2-25), tenendo presente la (2-18), può essere scritta nel seguente modo

(2-18L porSG

= 41

1 (2-27)

2

0

2

= =

Osservando, inoltre, che in base alla (2-22) risulta:

1 (2-28)

2

=

0

2

la (2-27) diventa: 1 (2-29)

2

0

2

= 1 2

0

2 2

=( )

Quando = , la velocità risulta essere la minima possibile di sostentamento in

presenza di un determinato fattore di carico .

Tale velocità, detta appunto minima, risulta dalla relazione: (2-30)

= √

Per ottenere i valori massimi di ad una determinata velocità lungo la traiettoria occorre,

porre quindi nella (2-29) ricavando pertanto:

=

2

(2-31)

=( )

Quindi sotto questa curva il velivolo non si sostiene.

Il diagramma di manovra prende il suo nome dal fatto che rappresenta graficamente tutte

le condizioni di fattore di carico e di velocità che un aereo può sperimentare durante una

specifica manovra di volo.

Una delle informazioni fondamentali che emergono da questo diagramma è la relazione

con la velocità di stallo. Infatti, è evidente che un aereo non può operare al di sotto della

velocità di stallo, rappresentata da un limite chiaro nel diagramma.

Un elemento chiave del diagramma è una curva particolare: una parabola che passa per

l'origine. Questa curva può essere tracciata per descrivere in maniera precisa il

comportamento dell'aereo durante la manovra. 42

Il fattore di carico rientra sempre in un limite, noto come , ma questo limite non è

mai determinato dalla struttura del velivolo. È piuttosto legato alle persone, alla loro

capacità di resistere alle sollecitazioni fisiche. La questione, quindi, è che, sebbene un

velivolo possa sopportare carichi strutturali ben superiori, non si può spingere oltre quei

livelli che metterebbero a rischio la sicurezza e il benessere degli individui a bordo.

Si immagini, ad esempio, che la struttura del velivolo sia progettata per tollerare carichi

molto elevati, ben oltre uno, a causa o persino tre fattori di carico rispetto ai limiti fissati per

le persone. Tuttavia, non si possono eseguire manovre che portino gli individui a perdere

conoscenza o a perdere il controllo della situazione. È per questo che diventa

fondamentale operare sempre entro condizioni che garantiscono la sicurezza fisiologica

delle persone.

Esistono limiti ben definiti che si trovano indicati in documentazioni tecniche e normative.

Per esempio, nella categoria normale, un fattore di carico massimo può variare intorno a

3,8 o 4,4, mentre nella categoria acrobatica si può arrivare fino a 6. Superare questi valori

comporta un rischio concreto: la perdita di conoscenza, o svenimento, dovuto

principalmente a una riduzione dell'afflusso di sangue al cervello. Questo fenomeno può

verificarsi in due modi distinti. Da un lato, la forza esercitata può spingere il sangue

lontano dal cervello, impedendogli di raggiungere le aree vitali. Dall'altro, una forza

opposta può allontanare il sangue dal cuore e dal cervello, destabilizzando i delicati

equilibri fisiologici a cui si è abituati nel nostro ambiente normale, governato dalla gravità

terrestre.

La capacità di resistenza del corpo umano, inoltre, varia a seconda della direzione della

forza applicata. La tolleranza ai carichi lungo l'asse testa-piedi, per esempio, è diversa da

quella lungo l'asse piedi-testa. Anche le forze laterali, come quelle nelle direzioni sagittale

o trasversale, si percepiscono in maniera diversa e richiedono un diverso tipo di

adattamento.

Per i piloti, che devono affrontare situazioni estreme, esistono programmi di

addestramento mirati a incrementare la loro capacità di sopportare fattori di carico elevati.

Per le persone comuni, però, questi limiti non possono essere superati. 43

Il primo tratto del diagramma sarà naturalmente verticale, poiché non si può attingere a

questi punti in quanto si sta sotto la velocità di stallo. Qui si trova la famosa parabola, dati

2

dalla formula . Si può resistere a fino a raggiungere la velocità massima

= ( )

che il velivolo è in grado di raggiungere . Tutti i punti che si trovano all’interno di

quest’area, sono tutte le manovre effettivamente possibili. Non è possibile andare oltre

questi limiti: verso l'alto si supererebbe , verso destra si supererebbe la velocità

massima del velivolo, e verso sinistra si entrerebbe in condizioni di velocità inferiori a

quella minima di sostentamento, ovvero lo stallo.

Quello che si fa per il volo dritto si applica anche al volo rovescio. Si immagini di girare il

velivolo e di trovarci in questa configurazione. In volo rovescio, la velocità di stallo sarà

leggermente più alta, indicata . Questo avviene perché il profilo dell'ala, progettato per

il volo in posizione normale, non è ottimizzato per volare capovolto e quindi presenta

2

prestazioni inferiori rispetto al profilo dritto. In questo caso , si avrà un ,

= ( )

dove non sarà uguale a n-limite, ma c’è la possibilità che nel volo a rovescio la resistenza

sia minore. Quindi quest’area colorata è chiamata il diagramma di manovra, ovvero è il

diagramma all’interno del quale contiene tutte le possibili condizioni di volo sicuro. Il nome

"diagramma di manovra" deriva dal fatto che l'aumento del fattore di carico è ottenuto

agendo sulle manovre di comando. Si ha una velocità di crociera .

Tuttavia, per un velivolo civile, alcune parti del diagramma, come quella relativa al volo

rovescio, non sono di interesse pratico e vengono quindi ignorate. Ciò avviene perché non

è comune effettuare manovre acrobatiche o volare capovolti con un velivolo civile.

Riducendo il diagramma a quello utilizzabile, ci si concentra sulla porzione rilevante per il

volo dritto. All'interno di questa semplificazione, ci sono alcuni punti significativi. Uno di

questi è la velocità di manovra, , che rappresenta la velocità massima alla quale si può

volare mantenendo il massimo assetto aerodinamico, corrispondente . Si può