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 ad aria e ad acqua impiegano sistemi di propulsione fluida per fornire forze di propulsione o spinte necessarie per l’accelerazione e lo sterzo attraverso il fluido circostante. Il loro uso non è limitato ai veicoli però. Anche i sistemi fissi 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 ventilatori. E dimostrare come l’efficienza di spinta e spinta può essere stimata e misurata in laboratorio.

La spinta dei sistemi di propulsione fluida a funzionamento aperto, come le eliche degli aerei o gli oggetti di scena delle barche, viene prodotta accelerando il fluido ambientale ad alta velocità. Questi sistemi aspirano il fluido da una vasta area a monte e lo esauriscono a valle in un getto stretto. Con un’area di flusso esterna approssimativamente uguale all’area della faccia dell’elica. Vediamo come viene generata la spinta adottando un approccio al volume di controllo. Inizia costruendo un volume di controllo lungo le linee del flusso attorno all’elica, estendendosi dall’area di aspirazione all’area di flusso in uscita. La portata massiga nel volume di controllo all’ingresso 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 di massa 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. Nessun flusso di massa si verificherà attraverso il confine di snellire per definizione. Durante il funzionamento costante la massa all’interno del volume di controllo deve rimanere costante. Quindi, per conservazione della massa, la velocità di uscita di massa 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 aspirazione e area 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. Allo stesso modo, la conservazione della quantità di moto richiede che qualsiasi differenza nelle portate di quantità di moto fuori e dentro il volume di controllo si manifesti come una forza sull’elica, la spinta. Poiché le portate di massa 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. L’espansione del termine della portata di massa in questo risultato mostra 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 dalla 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 del 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 configurarlo sul banco di lavoro. Il supporto ha una sezione rigida a “L” sostenuta da un perno in posizione pari al giunto. Posizionare la scala di precisione sotto l’estremità del braccio orizzontale corto. La coppia della bilancia digitale sul braccio corto bilancia qualsiasi coppia generata dalla spinta sul braccio lungo. E la differenza di lunghezze amplifica la forza misurata dalla scala 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 entrambe le braccia del momento. Il braccio lungo deve essere misurato dall’asse del perno all’asse dell’elica. E il braccio corto dovrebbe essere misurato dall’asse del perno al punto di contatto sulla scala. Collegare il motore a un alimentatore CC variabile e accenderlo per controllare la direzione del flusso d’aria, che deve essere diretto in modo che vi sia una forza verso il basso sulla bilancia. Spegnere 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, in punto quattro volt incrementi, fino a ma non superare la tensione massima di alimentazione del motore. Per ogni fase della tensione attendere che il motore si stabilizzi e quindi registrare la tensione, la corrente, la lettura della scala media e l’intervallo di scala. Se è disponibile un anemometro termico, misurare la velocità dell’aria di deflusso per una bassa tensione di ingresso e un’alta tensione di ingresso. Si noti che la velocità di deflusso varierà con la posizione, quindi questa è solo una misurazione dell’ordine di grandezza. Ripetere questo processo 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 di deflusso. Eseguire i seguenti calcoli per ogni valore della tensione di alimentazione. Calcola la spinta dalla lettura della scala. La forza sulla scala è la lettura dei tempi di accelerazione dovuta alla gravità. E la spinta è questa forza amplificata dal rapporto tra le braccia del momento misurate in precedenza. Ora calcola la potenza in ingresso al motore, che è semplicemente il prodotto della tensione e della corrente. Quindi calcolare l’efficienza di spinta prendendo il rapporto tra la spinta e la potenza in ingresso. Se la velocità di deflusso è stata misurata, 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 usando l’equazione di spinta di prima. Propagare le incertezze di misura come mostrato nel testo per determinare l’incertezza nei risultati finali. Ripeti questi calcoli per l’elica e la ventola di grandi dimensioni.

Inizia tracciando la spinta in funzione della potenza di ingresso per tutti e tre i dispositivi. La ventola del PC produce la spinta più alta delle tre e ha una potenza massima in ingresso molto più elevata. La piccola elica produce leggermente più spinta di quella grande a qualsiasi potenza di ingresso, ma la grande ventola 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 hai effettuato misurazioni della velocità dell’aria di deflusso, confronta l’intervallo stimato di spinte in base a 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 dovrebbe 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 molte creature sottomarine per la sopravvivenza e di conseguenza si è evoluta una grande varietà di sistemi di propulsione naturale. La propulsione a getto da cefalopodi, pinne sui pesci e flagelli sulle amebe 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 la potenza immagazzinata per generare spinta, questi sistemi estraggono quantità di moto ed energia dall’aria. L’albero rotante del mulino a vento può azionare un processo meccanico o essere collegato a un generatore per produrre elettricità.

Hai appena visto l’introduzione di Jove alla propulsione e alla spinta. Ora dovresti capire i principi di base della generazione di spinta con un sistema di propulsione fluido aperto. Hai anche imparato come eseguire test di spinta statica su piccola scala e determinare l’efficienza di spinta. Grazie per l’attenzione.