Atmosfera In questa sezione: Caratteristiche dell'atmosfera; Pressione Statica e Dinamica; Temperatura; Densità. Caratteristiche dell'atmosfera Un elicottero nuota letteralmente nell'aria e l'aerodinamica ne studia in modo approfondito le forze, i momenti e tutti quei fenomeni apparentemente inosservabili ad occhio nudo che avvengono su un corpo che attraversa l'aria. L'aria è infatti il nostro ambiente naturale come lo potrebbe essere l'acqua per un pesce immerso costantemente in essa. L'elicottero e qualunque altro tipo di aeromobile sfrutta le caratteristiche di questo fluido invisibile ed il movimento di un corpo attraverso il fluido aereo genera una forma di vento chiamato Vento Relativo. L'aria
ha una densita ed un peso specifico a seconda della distanza verticale
dal mare, l'influenza di entrambi questi fattori diminuisce direttamente
con l'aumento della distanza dalla superficie terrestre, in altre parole
più in alto si va meno l'aria è densa e quindi è
meno pesante. L'aria inoltre può assumere una determinata temperatura
e tante altre caratteristiche interessanti che approfondiremo lungo il
nostro percorso. Tutte le caratteristiche intrinse dell'aria influenzano
il meccanismo del volo di un elicottero. L’atmosfera è composta da una massa gassosa che avvolge il globo terrestre. Essa ha uno spessore di circa 100 Km e la sua composizione è fatta per il 78% di AZOTO ed il 21% di OSSIGENO; minima è la quantità di altri gas nobili che rappresentano appena l’1%. All’interno
della sfera atmosferica, la forza di gravità è la principale
componente influente, essa infatti condiziona gran parte dei fenomeni
atmosferici in associazione con il calore generato dal sole, ma la sua
energia è esercitata anche sulle particelle più piccole,
perfino quelle di dimensioni microscopiche, modificandone alcune caratteristiche. Pressione I
gas che compongono l'atmosfera hanno un peso. Il peso delle particelle
d’aria che la compongono e che sono attratte dalla forza
di gravità, e che esercitano su di una SUPERFICIE.
Questa forza si chiama PRESSIONE,
ed essa si muove ORTOGONALMENTE sulla superficie terrestre. |
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Dato che questo volume di mercurio ha un peso di 1,033 kg al livello del mare (SL) si è deciso per convenzione di chiamare il prodotto di questa misurazione sin da quell'esperimento con il nome di ATMOSFERA. Essa rappresenta per l’appunto la pressione che esercita una colonna di mercurio di detto volume, sulla superficie terrestre. Gli anglosassoni misurano la stessa grandezza con un valore equivalente a 29,92 PSA e questo tipo di misurazione è uno standard nel nostro mondo. L'equivalente di 29,92 PSA è rapresentabile anche in Millibar con un valore di 1013 mb. Noterai all'inizio del tuo corso che il settaggio dell'altimetro avverra modificando o inserendo uno di questi due valori equivalenti a seconda delle fasi di volo. L’atmosfera terrestre è dunque un oceano aeriforme e la sua struttura è praticamente definibile secondo un numero di strati, ognuno aventi caratteristiche particolari. Tuttavia il nostro operato teorico-pratico si riferirà a quella zona all'interno della sfera atmosferica chiamata TROPOSFERA, e cioè allo strato più vicino alla superficie terrestre; quella bolla virtuale compresa tra il livello del mare e la quota media di 11 kilometri circa, pari a 36000 ft (piedi). E' importante precisare che questa quota limite relativa alla troposfera è un valore medio, dato che essa varia ai poli dove è più sottile poichè le base temperature rendono l'aria molto densa, mentre è maggiore all’equatore dove al contrario il calore di quelle latitudini rendono l'atmosfera meno densa. Bisogna infatti considerare le oscillazioni termiche stagionali che avvengono tra l'estate e l'inverno. E' interessante comunque sapere che tutti i fenomeni meteorologici più importanti come la formazione delle nubi, le piogge ed i venti, avvengono esclusivamente all’interno di questo strato atmosferico. Gli aerei di linea infatti volano leggermente al di sopra della troposfera, attraverso la tropopausa, per evitare i fenomeni meteorologici più importanti. |
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La misurazione
della pressione atmosferica avviene mediante il BAROMETRO,
questo strumento può essere a CAPSULA o a MERCURIO.
S i è convenuto infatti che il mercurio – metallo liquido
– avesse un elevato peso specifico ed un basso punto di congelamento
e quindi meno suscettibile a variazioni di volume causate dalle oscillazioni
termiche. Questa misura convenzionale risulta importantissima ed è ampiamente utilizzata sia nelle operazioni di volo ordinarie, sia per il calcolo e l’elaborazione di prestazioni, così come di altri importanti parametri che forniranno informazioni utili per la verifica delle caratteristiche dei nostri elicotteri. Il GRADIENTE BARICO VERTICALE invece è equivalente ad 1mb (millibar) ogni 8 metri (27ft) dal livello del mare (SL). Al di sopra
della TROPOSFERA vi è la TROPOPAUSA,
questa fascia dell’atmosfera mantiene delle condizioni più
o meno costanti come pressione e temperatura. Tuttavia si tratta di misure convenzionali, poichè nella realtà pressione e temperatura non variano in modo cosi costante ed omogeneo, ma diminuiscono in maniera più evidente alle basse quote, per poi ridurre la distanza tra esse man mano che si sale verso l'alto. Nella vita reale infatti i valori di temperatura, pressione e densità sono molto diversi tra loro in base alle stagioni o alle latitudini. E' ovvio pensare che per un pilota tali valori sarebbero inattendibili per poter calcolare con precisione le caratteristiche dell'aria, che avvolge il proprio velivolo, e che di onseguenza ne determina le prestazioni. Nella realtà infatti si usano delle operazioni matematiche spesso risolvibili in qualche secondo, utilizzando la temperatura esterna reale misurabile a quella quota per poter stabilire con esattezza pressione e densità, avendo come punti di riferimento i valori standard descritti come sopra, tuttavia il metodo più semplice e pratico è la consultazione di particolari grafici pubblicati nel manuale di volo appositamente elaborati per la determinazione di questi parametri. Pressione Statica e Pressione Dinamica Negli anni ho notato spesso una enorme confusione circa il significato di Pressione Statica e Pressione Dinamica; ne ho sentite davvero di ogni. In realtà il concetto che lega le due entità è più che semplice, anzi direi banale e vedremo perché. Circa la Pressione Statica, si può semplicemente stabilire che essa è la pressione esercitata dalle particelle di un qualsiasi gas - come l'aria per l'appunto - che avviene in tutte le direzioni se confinato all'interno di un ambiente, come lo potrebbe essere la stessa atmosfera o molto più semplicemente all'interno di un palloncino, od anche all'interno di uno pneumatico. Il concetto di "statico" infatti spiega già di per se che si tratta di qualcosa che non si muove o che mantiene uno stato più o meno costante, dunque si tratta di una pressione che agisce staticamente sulle superfici in cui l'aria è contenuta. All'interno
di un palloncino per esempio la pressione delle particelle esercita
una forza uniforme su tutte le pareti dell'involucro mantenendolo in
tensione verso l'esterno, cioè gonfio, poiché la pressione
statica interna è maggiore della pressione statica
esterna. La stessa cosa avviene con uno pneumatico perché la pressione statica interna (PsI) in esso è diverse volte superiore alla pressione statica esterna (PsE) che esercita una forza tale da mantenere in tensione le pareti dello pneumatico che è addirittura in grado di sostenere il peso di un'automobile ed i suoi passeggeri. |
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Come si
vede dalla figura, lo pneumatico gonfio trattiene al suo interno una
pressione statica maggiore di 2,5 volte rispetto a
quella esterna. Questa condizione mantiene lo pneumatico in tensione
costante fino a quando l'aria rimarrà sicura e sigillata al suo
interno. Ma una volta che lo pneumatico si buchi, o si apra la valvola
di sicurezza, la pressione statica interna si trasformerà in
pressione dinamica, lasciando l'aria contenuta al suo interno fluire
attraverso il foro ad una certa velocità, fino a quando la pressione
statica interna dello pneumatico sarà uguale alla pressione statica
esterna, e purtroppo per l'automobilista a quel punto la ruota sarà
completamente sgonfia. E' importante considerare che la percentuale dei gas disciolti in atmosfera non varia al variare della quota, anzi rimane sostanzialemente la stessa, e cioè 78% di Azoto, 21% di Ossigeno ed 1% di altri gas. Quello che invece cambia è la pressione e la densità che questi gas posseggono. Infatti la legge di Dalton spiega chiaramente questo fenomeno, poichè la pressione diminuisce con l'altitudine, ma non la percentuale dei gas disciolti in essa. Temperatura Un’altra
componente fondamentale dell’affascinante ricetta fatta di ingredienti
che muovono la nostra atmosfera ed influenzano la nostra esistenza non
solo da piloti e delle nostre macchine volanti, è la componente
TERMICA. Tutti almeno una volta abbiamo sperimentato la regola della pompa per gonfiare le ruote della bici. Man mano che si immette aria nello pneumatico attraverso l’azione di forza sul pistone si noterà che la piccola pompa si riscalda. Questo è causato da un aumento della pressione che avvicina le molecole dei gas in costante agitazione che cosi vengono a trovarsi sempre più l’una vicina all’altra. Il pompaggio continuo di aria nel ciindro della pompa altera lo stato di agitazione delle molecole causando l’aumento di temperatura, ma anche della DENSITA’ del gas, perchè esso occupa uno spazio inferiore rispetto a prima. Questo
fenomeno si chiama INERZIA CINETICO MOLECOLARE ed è
la base fisica del funzionamento del motore Diesel,
che sfrutta il riscaldamento spontaneo dei gas se sottoposti a forte
pressione per innescare l'esplosione del carburante miscelato all'interno
della camera del cilindro. |
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Questo prova ancora una volta la regola di cui sopra. Durante l’espansione di un gas lo spazio tra le molecole in agitazione diminuisce, causando il rallentamento dello stato di agitazione di queste, quindi il conseguente raffreddamento del fluido con una importante riduzione della densità perchè aumenta lo spazio fisico tra le molecole che compongono il gas. In breve alla diminuzione della pressione si ha una riduzione della temperatura. Il meccanismo di riscaldamento della nostra atmosfera avviene attraverso l'azione del sole che cede calore alle superfici del pianeta che a loro volta cedono l'energia termica ai gas che ne compongono l'atmosfera, la nostra stella rimane dunque la principale fonte termica che riscalda la nostra atmosfera modificandone pressione e densità. La legge della Diffusione dei Gas infatti stabilisce che Pressione, Temperatura e Densità sono direttamente correlati, infatti all'aumento della temperatura di un gas confinato in un involucro si ha una espansione del gas ed un aumento della sua pressione e vice versa. Se il contenitore non è rigido il volume può cambiare ed avere effetti sulla densità del gas. Lo si può verificare con un gommone in mare. Se il gommone è tenuto al sole la sua struttura si espande e si irrigidisce, ma quando scenderà la sera e la notte, il gommone sembrerà leggermente sgonfio, come avesse perso la rigidità che aveva acquisito durante il giorno. Dunque si può alterare il volume di un gas modificando la sua temperatura o la sua pressione. L’atmosfera
assorbe una minima quantità di calore, questo perché l’azione
della stella riscalda la superficie del pianeta per IRRAGGIAMENTO,
senza che l’atmosfera ne assorba l’energia in maniera diretta. Se l’atmosfera fosse standard, la temperatura decrescerebbe in modo costante a partire dal suolo man mano fino in quota, ma in realtà le variazioni sono giornaliere o avvengono all'interno di un breve periodo come un giorno, proprio per le complesse interazioni meteorologiche. Il GRADIENTE TERMICO VERTICALE rappresenta dunque il valore medio della temperatura presente ai vari strati, che come già detto è all’incirca di 6.5°C per ogni 1000 metri (2°C per 1000 ft) e si dimezza a poco più di 5000m (18000 ft) dal livello del mare. E’ importante precisare che per fortuna la nostra atmosfera è in stante movimento. La variazione di temperatura inoltre si alterna tra superfici umide come mari, laghi, aree boscose, o zone rocciose e desertiche e questi diversi strati cedono in maniera incoerente il calore all'atmosfera che li sovrasta, e poi questo avviene anche a varie quote come sulle montagne. Ci sono in altre parole una infinità di variabili calcolabili solo per un breve periodo di tempo e dunque i valori fin’ora esposti sono solo delle convenzioni per rappresentare le caratteristiche sostanziali dell'atmosfera. Se essa fosse davvero standard probabilmente a detta di alcuni scienziati, non sarebbe possibile il generarsi di venti, nuvole, pioggia e tutti gli altri fenomeni atmosferici più o meno piacevoli o sconvenienti, che mantengono in costante circolazione questo incredibile motore da cui tutti dipendiamo. Densità Cosi
come abbiamo visto fin’ora l’ATMOSFERA
è un meccanismo che si muove attraverso il continuo variare di
condizioni fisiche, influenzate sempre dalle variazioni di pressione
e temperatura. L’influenza della temperatura
modifica la pressione e viceversa e questo alternarsi genera condizioni
atmosferiche diverse e particolari, il meccanismo tuttavia non è
esente però dall’ultimo parametro da prendere anch'esso
in seria considerazione: la DENSITA’. La temperatura
infatti diminuisce con la quota perché la densità dell'aria
diminuisce. In altre parole poiché l'aria in quota è composta
da un numero sempre minore di particelle, queste non riescono a mantenere
lo stato di agitazione molecolare che invece è più elevato
a basse quote, dove le particelle concentrate nello stesso spazio sono
in numero maggiore. |
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Con
il termine di DENSITA’ si definisce la massa
d’aria nell’unita di VOLUME ed essa verrà
rappresentata con il simbolo greco (ρ)
ro. Dunque la densità(ρ) diminuisce
con la quota proprio perché l’aria è rarefatta man
mano che si sale in quota. Un ulteriore fattore di variazione della
densità dell’ariaè la percentuale relativa di umidità.
La densità di una massa d'aria che occupa un dato volume dipende
dalla pressione, dalla temperatura
e dall'umidità in essa contenute. Infatti
il valore di densità nell’aria è sempre
inversamente proporzionale al valore dell’umidità.
In altre parole a maggiore umidità corrisponde minore densità
e questo è dovuto al peso del vapore in essa contenuto, rispetto
ad una condizione di aria secca. |
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©Gino D'Ignazio Gizio | |||