Cos'è la resistenza dell'aria?

Qui sulla Terra, tendiamo a dare per scontata la resistenza dell’aria (alias “resistenza”). Diamo per scontato che quando lanciamo una palla, lanciamo un aereo, deorbitiamo un veicolo spaziale o spariamo un proiettile da una pistola, l’atto di viaggiare attraverso la nostra atmosfera lo rallenterà naturalmente. Ma qual è la ragione di questo? Come fa l’aria a rallentare un oggetto, che sia in caduta libera o in volo?

A causa della nostra dipendenza dai viaggi aerei, del nostro entusiasmo per l’esplorazione dello spazio e del nostro amore per gli sport e per il far volare le cose (compresi noi stessi), capire la resistenza dell’aria è fondamentale per capire la fisica ed è parte integrante di molte discipline scientifiche. Come parte della sottodisciplina conosciuta come dinamica dei fluidi, si applica ai campi dell’aerodinamica, dell’idrodinamica, dell’astrofisica e della fisica nucleare (per nominarne alcuni).

Definizione:

Per definizione, la resistenza dell’aria descrive le forze che sono in opposizione al movimento relativo di un oggetto mentre passa attraverso l’aria. Queste forze di resistenza agiscono in opposizione alla velocità del flusso in arrivo, rallentando così l’oggetto. A differenza di altre forze di resistenza, la resistenza dipende direttamente dalla velocità, poiché è la componente della forza aerodinamica netta che agisce in senso opposto alla direzione del movimento.

Un altro modo per dirlo sarebbe quello di dire che la resistenza dell’aria è il risultato delle collisioni della superficie portante dell’oggetto con le molecole d’aria. Si può quindi dire che i due fattori più comuni che hanno un effetto diretto sulla quantità di resistenza dell’aria sono la velocità dell’oggetto e la sezione trasversale dell’oggetto. Ergo, sia l’aumento della velocità che della sezione trasversale comporteranno un aumento della resistenza dell’aria.

Questa immagine mostra un proiettile e l'aria che gli scorre intorno, dando una rappresentazione visiva della resistenza dell'aria. Crediti: Andrew Davidhazy/Rochester Institute of Technology — Immagine che mostra un proiettile e l’aria che gli scorre intorno, dando una rappresentazione visiva alla resistenza dell’aria. Crediti: Andrew Davidhazy/Rochester Institute of Technology

In termini di aerodinamica e volo, la resistenza si riferisce sia alle forze che agiscono in senso opposto alla spinta, sia alle forze che lavorano perpendicolarmente ad essa (cioè la portanza). In astrodinamica, la resistenza atmosferica è sia una forza positiva che negativa a seconda della situazione. È sia uno spreco di carburante e di efficienza durante il decollo che un risparmio di carburante quando un veicolo spaziale sta tornando sulla Terra dall’orbita.

Calcolo della resistenza dell’aria:

La resistenza dell’aria è solitamente calcolata usando l'”equazione della resistenza”, che determina la forza sperimentata da un oggetto che si muove attraverso un fluido o un gas a velocità relativamente grande. Questa può essere espressa matematicamente come:

$F_D\, =\, \tfrac12\, \rho\, v^2\, C_D\, A$

In questa equazione, FD rappresenta la forza di resistenza, p è la densità del fluido, v è la velocità dell’oggetto rispetto al suono, A è la sezione trasversale, e CD è il coefficiente di resistenza. Il risultato è quello che viene chiamato “resistenza quadratica”. Una volta determinato questo, calcolare la quantità di potenza necessaria per superare la resistenza comporta un processo simile, che può essere espresso matematicamente come:

$P_d = \mathbf{F}_d \cdot \mathbf{v} = \tfrac12 \rho v^3 A C_d$

qui, Pd è la potenza necessaria per superare la forza di resistenza, Fd è la forza di resistenza, v è la velocità, p è la densità del fluido, v è la velocità dell’oggetto rispetto al suono, A è l’area della sezione trasversale e Cd è il coefficiente di resistenza. Come si vede, la potenza necessaria è il cubo della velocità, quindi se ci vogliono 10 cavalli per andare a 80 km/h, ci vorranno 80 cavalli per andare a 160 km/h. In breve, un raddoppio della velocità richiede un’applicazione di otto volte la quantità di potenza.

Un F-22 Raptor che raggiunge una velocità abbastanza alta da ottenere un boom sonico. Credit: strangesounds.org

Tipi di resistenza dell’aria:

Ci sono tre tipi principali di resistenza in aerodinamica – Lift Induced, Parasitic, e Wave. Ognuno influenza la capacità di un oggetto di rimanere in alto, così come la potenza e il carburante necessari per tenerlo lì. La resistenza indotta dalla portanza (o semplicemente indotta) si verifica come risultato della creazione di portanza su un corpo tridimensionale (ala o fusoliera). Ha due componenti principali: la resistenza dei vortici e la resistenza viscosa indotta dalla portanza.

I vortici derivano dalla miscelazione turbolenta dell’aria di pressione variabile sulle superfici superiore e inferiore del corpo. Questi sono necessari per creare la portanza. Come la portanza aumenta, così fa la resistenza indotta dalla portanza. Per un aereo questo significa che quando l’angolo di attacco e il coefficiente di portanza aumentano fino al punto di stallo, aumenta anche la resistenza indotta dalla portanza.

Al contrario, la resistenza parassita è causata dal movimento di un oggetto solido attraverso un fluido. Questo tipo di resistenza è costituito da più componenti, che includono la “resistenza di forma” e la “resistenza di attrito della pelle”. In aviazione, la resistenza indotta tende ad essere maggiore alle basse velocità perché un alto angolo d’attacco è necessario per mantenere la portanza, quindi all’aumentare della velocità questa resistenza diventa molto minore, ma la resistenza parassita aumenta perché il fluido scorre più velocemente intorno agli oggetti sporgenti aumentando l’attrito. La curva di resistenza complessiva combinata è minima ad alcune velocità dell’aria e sarà pari o vicina alla sua efficienza ottimale.

Lancio dello Space Shuttle Columbia nel suo viaggio inaugurale il 12 aprile 1981. Credit: NASA

La resistenza delle onde (resistenza alla compressione) è creata dalla presenza di un corpo che si muove ad alta velocità attraverso un fluido comprimibile. In aerodinamica, la resistenza all’onda è costituita da più componenti a seconda del regime di velocità del volo. Nel volo transonico – a velocità di Mach 0,5 o superiore, ma ancora inferiore a Mach 1,0 (aka. velocità del suono) – la resistenza d’onda è il risultato del flusso supersonico locale.

Il flusso supersonico si verifica su corpi che viaggiano ben al di sotto della velocità del suono, poiché la velocità locale dell’aria su un corpo aumenta quando accelera sopra il corpo. In breve, gli aerei che volano a velocità transoniche spesso subiscono una resistenza all’onda come risultato. Questo aumenta man mano che la velocità dell’aereo si avvicina alla barriera del suono di Mach 1.0, prima di diventare un oggetto supersonico.

Nel volo supersonico, la resistenza delle onde è il risultato di onde d’urto oblique che si formano sui bordi di entrata e di uscita del corpo. In flussi altamente supersonici si formano invece onde di prua. A velocità supersoniche, la resistenza dell’onda è comunemente separata in due componenti, la resistenza dell’onda supersonica dipendente dalla portanza e la resistenza dell’onda supersonica dipendente dal volume.

Comprendere il ruolo che gli attriti dell’aria giocano nel volo, conoscere la sua meccanica, e conoscere i tipi di potenza necessari per superarli, sono tutti cruciali quando si tratta di esplorazione aerospaziale e spaziale. Conoscere tutto questo sarà fondamentale anche quando verrà il momento di esplorare altri pianeti nel nostro sistema solare, e in altri sistemi stellari in generale!

Abbiamo scritto molti articoli sulla resistenza dell’aria e sul volo qui a Universe Today. Ecco un articolo su Cos’è la velocità terminale, Come volano gli aerei, Cos’è il coefficiente di attrito e Cos’è la forza di gravità?

Se vuoi maggiori informazioni sui programmi aeronautici della NASA, dai un’occhiata a Beginner’s Guide to Aerodynamics, e qui c’è un link all’equazione di resistenza

Abbiamo anche registrato molti episodi correlati di Astronomy Cast. Ascolta qui, Episodio 102: Gravità.