Propulsione e spinta

I sistemi di propulsione a fluido sono onnipresenti nella progettazione meccanica e vengono utilizzati ogni volta che è necessario applicare una forza relativa tra un sistema meccanico e un fluido. Tutte le imbarcazioni aeree e d'acqua impiegano sistemi di propulsione fluida per fornire le forze di propulsione o le spinte necessarie per l'accelerazione e la sterzata attraverso il fluido circostante. Tuttavia, il loro utilizzo non è limitato ai veicoli. Anche i sistemi stazionari come le apparecchiature HVAC utilizzano sistemi di propulsione. Ma in questi casi guidano la circolazione del fluido stesso. Questo video illustrerà come la spinta viene prodotta dai sistemi di propulsione a fluido a funzionamento aperto, una categoria che include eliche e ventole. E dimostrare come la spinta e l'efficienza della spinta possono essere stimate e misurate in laboratorio.

La spinta dei sistemi di propulsione a fluido a funzionamento aperto, come le eliche degli aeroplani o le eliche delle barche, viene prodotta accelerando il fluido ambientale ad alta velocità. Questi sistemi aspirano il fluido da un'ampia area a monte e lo scaricano a valle in un getto stretto. Con un'area di uscita approssimativamente uguale all'area della faccia dell'elica. Vediamo come si genera la spinta adottando un approccio di controllo del volume. Inizia costruendo un volume di controllo lungo le linee di flusso attorno all'elica, che si estende dall'area di aspirazione all'area di flusso. La portata massica nel volume di controllo all'aspirazione è il prodotto della densità del fluido a monte, dell'area di aspirazione e della velocità del fluido a monte. Allo stesso modo, la portata massica fuori dal volume di controllo allo scarico è il prodotto della densità del fluido a valle, dell'area di deflusso e della velocità del fluido a valle. Per definizione, non si verificherà alcun flusso di massa attraverso il limite della linea di flusso. Durante il funzionamento stazionario, la massa all'interno del volume di controllo deve rimanere costante. Quindi, per conservazione della massa, la velocità di massa che esce attraverso l'area di deflusso deve essere uguale alla velocità di massa che entra attraverso l'area di aspirazione. Ora, poiché le densità di aspirazione e deflusso sono approssimativamente uguali, la velocità di deflusso sarà uguale alla velocità di aspirazione scalata dal rapporto tra l'area di aspirazione e quella di deflusso. Poiché l'area di aspirazione è molto più grande dell'area di deflusso, la velocità di deflusso sarà molto più alta della velocità di aspirazione. In modo simile, la conservazione della quantità di moto richiede che qualsiasi differenza nelle velocità di flusso della quantità di moto da e verso il volume di controllo si manifesti come una forza sull'elica, la spinta. Poiché le portate massiche in entrata e in uscita sono bilanciate e la velocità di deflusso è molto più alta della velocità di aspirazione, il contributo del termine velocità di aspirazione è trascurabile. Espandendo il termine di portata di massa in questo risultato si vede che la spinta è ben approssimata dall'area di deflusso e dalla velocità. In qualsiasi sistema di propulsione l'alimentazione è fornita da una fonte esterna per generare la spinta. L'efficienza di spinta del sistema, qui indicata con la lettera greca eta, è definita come il rapporto tra la spinta generata e la potenza in ingresso. Ad esempio, le eliche degli aeromodelli e le ventole dei PC sono azionate da un motore elettrico. Se la spinta è nota, dividendola per la potenza elettrica in ingresso si otterrà l'efficienza della spinta. Nelle sezioni seguenti misureremo la spinta e l'efficienza di spinta di alcuni piccoli sistemi di propulsione utilizzando un banco di prova statico. E poi confronta la spinta misurata con una stima basata sulla velocità di deflusso.

Assemblare il banco di prova come descritto nel testo e posizionarlo sul banco di lavoro. Il cavalletto ha una sezione rigida a "L" supportata da un perno in corrispondenza dello snodo. Posizionare la bilancia di precisione sotto l'estremità del braccio orizzontale corto. La coppia della bilancia digitale sul braccio corto bilancerà qualsiasi coppia generata dalla spinta sul braccio lungo. E la differenza di lunghezze amplifica la forza misurata dalla bilancia per produrre letture più accurate. Con il banco di prova assemblato, montare l'elica più piccola sul braccio verticale lungo e allineare l'asse dell'elica in modo che sia parallelo al braccio corto. Misurare e registrare il diametro dell'elica e il diametro del mozzo. Ora misura e registra le lunghezze di entrambi i bracci del momento. Il braccio lungo deve essere misurato dall'asse di rotazione all'asse dell'elica. E il braccio corto dovrebbe essere misurato dall'asse di rotazione al punto di contatto sulla scala. Collegare il motore a un'alimentazione CC variabile e accenderlo per controllare la direzione del flusso d'aria, che deve essere diretto in modo che ci sia una forza verso il basso sulla scala. Interrompere l'alimentazione e, se necessario, correggere la direzione del flusso d'aria invertendo il collegamento elettrico. Quando il motore è completamente fermo, tarare la bilancia. Accendere l'alimentazione e aumentare la tensione da zero volt, con incrementi di quattro volt, fino ma non oltre la tensione massima di alimentazione del motore. Per ogni passaggio di tensione, attendere che il motore si stabilizzi, quindi registrare la tensione, la corrente, la lettura media della scala e l'intervallo di scala. Se è disponibile un anemometro termico, misurare la velocità dell'aria in uscita per una bassa tensione di ingresso e un'alta tensione di ingresso. Si noti che la velocità di deflusso varia con la posizione, quindi questa è solo una misura dell'ordine di grandezza. Ripetere questa procedura per il motore più grande e la ventola del PC. Una volta completate le misurazioni, sei pronto per analizzare i dati.

Guarda i dati raccolti per la piccola elica. Per ogni tensione di alimentazione c'è anche una corrente di alimentazione e le letture della scala. Dovresti anche avere alcune misurazioni della velocità dell'aria in uscita. Eseguire i seguenti calcoli per ogni valore della tensione di alimentazione. Calcolare la spinta dalla lettura della scala. La forza sulla scala è la lettura moltiplicata per l'accelerazione dovuta alla gravità. E la spinta è questa forza amplificata dal rapporto tra i bracci del momento misurati in precedenza. Ora calcola la potenza in ingresso al motore, che è semplicemente il prodotto della tensione e della corrente. Quindi calcola l'efficienza della spinta prendendo il rapporto tra la spinta e la potenza in ingresso. Se è stata misurata la velocità di deflusso, è possibile utilizzarla per prevedere la spinta. Per prima cosa calcola l'area di deflusso approssimativa prendendo la differenza tra le aree dell'elica e del mozzo. Quindi combina questo risultato con la velocità misurata per stimare la spinta utilizzando l'equazione di spinta precedente. Propaga le incertezze di misura come mostrato nel testo per determinare l'incertezza nei risultati finali. Ripetere questi calcoli per l'elica grande e la ventola.

Inizia tracciando la spinta in funzione della potenza in ingresso per tutti e tre i dispositivi. La ventola del PC produce la spinta più alta delle tre e ha una potenza di ingresso massima molto più elevata. L'elica piccola produce una spinta leggermente maggiore rispetto a quella grande a qualsiasi potenza in ingresso, ma la ventola grande è in grado di funzionare a potenze più elevate. Ora confronta l'efficienza di spinta in funzione della potenza in ingresso. L'efficienza di spinta della grande elica rimane abbastanza costante, ma l'efficienza diminuisce con l'aumentare della potenza per gli altri due dispositivi. Se sono state effettuate misurazioni della velocità dell'aria in uscita, confrontare l'intervallo stimato di spinte basato su queste con la spinta misurata dal banco di prova. Dovresti trovare un buon accordo tra la previsione e la misurazione. Ma a causa della misurazione approssimativa della velocità di deflusso, questa analisi deve essere interpretata solo come qualitativa.

I sistemi di propulsione a fluido sono onnipresenti in una varietà di sistemi meccanici e naturali. La mobilità è fondamentale per la sopravvivenza di molte creature sottomarine e di conseguenza si è evoluta una grande varietà di sistemi di propulsione naturale. La propulsione a getto dei cefalopodi, le pinne dei pesci e i flagelli dell'ameba sono solo alcuni esempi. Imparare come funzionano questi sistemi è importante per capire come questi animali vivono e interagiscono con il loro ambiente. I mulini a vento e le turbine funzionano secondo gli stessi principi trattati in questo video, ma applicati al contrario. Invece di utilizzare l'energia immagazzinata per generare spinta, questi sistemi estraggono slancio ed energia dall'aria. L'albero rotante del mulino a vento può azionare un processo meccanico oppure essere collegato a un generatore per produrre elettricità.

Avete appena visto l'introduzione di Giove alla propulsione e alla spinta. A questo punto è necessario comprendere i principi di base della generazione di spinta con un sistema di propulsione a fluido a funzionamento aperto. Hai anche imparato come eseguire prove di spinta statica su piccola scala e determinare l'efficienza della spinta. Grazie per l'attenzione.