Muro del suono...

[mojomojo]

Scusate se riesumo questo topic...

 

 

Se non sbaglio il primo aereo a superare Mach1 fu il Bell X-1, in una trasmissione televisiva avevano detto che, quando ci si avvicinava a tale velocità, l'aereo diventava incontrollabile e addirittura si invertivano i comandi.. è vero? E se è vero a cosa era dovuto tutto ciò?

 

 

Grazie per le eventuali risposte!

[Flaggy]

Scusate se riesumo questo topic...

Se non sbaglio il primo aereo a superare Mach1 fu il Bell X-1, in una trasmissione televisiva avevano detto che, quando ci si avvicinava a tale velocità, l'aereo diventava incontrollabile e addirittura si invertivano i comandi.. è vero? E se è vero a cosa era dovuto tutto ciò?

Grazie per le eventuali risposte!

Si il primo aereo a superare mach 1 in volo orizzontale fu l'X-1.

No, non si invertono i comandi.

Il problema e' che quando ci si avvicina a mach 1 (quindi anche quando si vola a una velocita' inferiore) si forma delle zone intorno al velivolo in cui la velocita' supera quella del suono.

In particolare sul dorso alare, dove l'aria prima accelera e poi decelera verso il bordo d'uscita, la velocita' cresce fino a superare la velocita' del suono (succede regolarmente sui velivoli transonici che volano a velocita' subsoniche ma sul cui dorso alare la velocita' e' supersonica).

Quando torna a scendere cio' avviene bruscamente tramite un'onda d'urto che puo' causare (in caso di profilo non adatto a tali velocita') un distacco dello strato limite e la conseguente perdita di efficienza dell'ala e di quello che ci sta' al bordo d'uscita...superfici di controllo incluse...

[fabri]

Cio Flaggy!Ho una curiosità:su alcuni tipi di aerei supersonici si nota uno strano restringimento della sezione della fusoliera in corrispendenza della radice alare;si nota bene nell'f 105 e nell'f 106.Questa caratteristica strutturale ha qualcosa a che fare con l'onda d'urto che comincia a formarsi in regime transonico sul punto più inarcato del dorso alare?grazie mille

[sir]

Ciao Fabri,

ti rispondo di....getto: si tratta della regola delle arre di Withcomb (se ricordo bene il nome dell'ingegnere), per cui variando la sezione della fusoliera (sulla base di calcoli specifici), si riduce la resistenza incontrata dal velivolo.

Saluti sir

[Flaggy]

Cio Flaggy!Ho una curiosità:su alcuni tipi di aerei supersonici si nota uno strano restringimento della sezione della fusoliera in corrispendenza della radice alare;si nota bene nell'f 105 e nell'f 106.Questa caratteristica strutturale ha qualcosa a che fare con l'onda d'urto che comincia a formarsi in regime transonico sul punto più inarcato del dorso alare?grazie mille

Gia'...Quel restringimento della fusoliera e' la croce e delizia dei primi aerei supersonici come l'F-102: la famigerata regola delle aree.

Si e' visto che gli aerei dovevano presentare un restringimento della sezione della fusoliera in corrispondenza dell'ala, in modo da far si che la sezione trasversale di tutto il velivolo non aumentasse bruscamente in corrispondenza dell'ala stessa e comunque variasse in modo progressivo e lineare.

L'F-102 scopri' a sue spese che per superare la velocita' del suono incontrava una resistenza spaventosa (legata alle onde d'urto che si formano in regime transonico) e che per evitare il problema avrebbe dovuto adottare la soluzione della fusoliera a "bottiglia di Cocacola"(tanto che lo si dovette riprogettare...).

Troverai altre informazioni digitando su google "regola delle aree" e Withcomb (il fisico americano che l'ha formulata).

Se n'e' parlato sicuramente nel forum...

Per es QUA da Captor

[Captor]

Riporto quello che si era detto:

 

La regola delle aree dice come rendere minima la "resistenza d'onda": in parole molto semplici è una resistenza che esiste anche nelle navi. Quando la nave passa crea onde marine, quando passa l'aereo crea onde acustiche.

 

La regola dice che affinché questo tipo di resistenza sia nulla, la sezione trasversale dell'aereo deve rimanere costante, oppure variare linearmente.

 

(Inciso per i tecnici: il coefficiente di resistenza d'onda è proporzionale alla derivata seconda della sezione trasversale dell'aereo.)

 

Chiaramente non si riesce ad annullarla del tutto, ma si cerca di fare il possibile con vari escamotage: per esempio l'F106, come tantissimi altri aerei supersonici (dai Mirage, ai MiG-21 al Typhoon....) ha l'ala a delta, proprio perché l'ala a delta aumenta la sua sezione trasversale linearmente.

 

Un altro escamotage presente sull'F-106 è il restringere la sezione di fusoliera in prossimità del bordo d'attacco dell'ala.

 

Se mi sono spiegato molto male ditelo!

 

Particolare curioso: durante varie prove fatte sul B-747 ci si accorse che il piano della business class, cioè quello rialzato dove c'è anche la cabina, invece di aumentare la resistenza totale dell'aereo, la diminuiva: questo proprio perché i progettisti, senza volerlo, avevano soddifatto la "regola delle aree".

 

 

Un po' di storia: link.

 

[fabri]

L'argomento non sembra essere semplicissimo...;da quello che ho potuto capire la regola delle aree serve per evitare che in alcuni punti della fusoliera(ad es il tettuccio dell'abitacolo e la sezione dell'ala con maggior inarcamento)si formi troppo precocemente(rispetto ad una velocita < di mach 1) l'onda d'urto.Quindi se il pilota vuole andare supersonico è bene che il suo aereo sia progettato con una corretta regola delle aree che permette di ridurre sia la resistenza d'onda sia il tempo che intercorre tra regime sub e supersonico;si riducono così anche le forti vibrazioni che caretterizzano il regime transonico.Ho detto giusto?A voi la correzione

[axel foley]

Ti riporto un vecchio post:

Molto semplicemente....

 

Cos'è il suono? E' una vibrazione dell'aria, che si propaga a una certa velocità (intorno ai 300 metri al secondo).

 

Quando un aereo vola, il suo movimento crea una vibrazione che si sposta in avanti alla velocità del suono.

Nello stesso tempo, però, l'aereo comprime l'aria davanti a sè.

 

Finchè l'aereo vola sotto la velocità del suono, la vibrazione sonora è più veloce della compressione.

 

Man mano che l'aereo si avvicina a quella velocità, questi due effetti (vibrazione sonora e compressione) tendono ad accavallarsi, fino a creare un vero e proprio muro invisibile davanti all'aereo.

 

Nel momento in cui l'aereo supera la velocità del suono, sfonda quel muro, e le onde sonore vengono superate dall'aereo e dalla compressione che esso genera, e non potendosi scaricare in avanti (perchè c'è l'aria compresso dal movimento dell'aereo) si scaricano all'indietro, creando un cono che parte dalla punta dell'aereo e si allarga all'indietro.

 

Quel cono è quindi il rumore dell'onda d'urto generata dal muro d'aria sfondato dall'aereo, e si allarga per chilometri raggiungendo anche il suolo, dove è percepito come un bang.

 

Questo proprio in parole semplici. Se mi legge un tecnico storcerà il naso.

 

L'importante è capire che il bang sonico si genera nel momento in cui l'aereo supera la velocità del suono, e continua ad esserci finchè l'aereo vola supersonico.

 

Grazie per le semplici ed ottime spiegazioni

[Enema_27]

Un ulteriore quesito...come varia la resistenza aerodinamica al passaggio in volo supersonico? In particolar modo perchè un normale caccia è in grado di volare al max a mach 0,9-0,95 senza postcombustione e invece di raddoppiare tale valore con la postcombustione? La postcombustione non aumenta la spinta di circa il 50%?

Grazie

[Maurice]

Un ulteriore quesito...come varia la resistenza aerodinamica al passaggio in volo supersonico?

Generalmente la resistenza aumenta sempre! Quello che viene insegnato a scuola è che la resistenza aumenta con il quadrato della velocità, perciò tanto più veloce vai maggiore resistenza hai, Però nel volo transonico si raggiunge un picco non indifferente, come dimostrano i soliti grafici del coefficiente della resistenza.

 

In particolar modo perchè un normale caccia è in grado di volare al max a mach 0,9-0,95 senza postcombustione e invece di raddoppiare tale valore con la postcombustione? La postcombustione non aumenta la spinta di circa il 50%?

Un po' difficile da spiegare in poche parole, posso però dirti che nessun aeromobile è progettato per volare in transonico e perciò la sua configurazione aerodinamica è penalizzata in queste condizioni di volo, causando un notevole dispendio di energia da parte del motore. Inoltre le prestazioni del motore a Mach 0,9 non sono le stesse che si hanno a Mach 2!

 

In altre parole, il volo transonico è così penalizzante perché nessun aeromobile ha caratteristiche aerodinamiche e motoristiche per volare in questa regione. In fondo è un po' come far correre i 100 metri ad un maratoneta

Per renderci conto di come un aeroplano transonico deve avere soluzioni molto differenti da tutti gli altri, guardate lo studio del Boeing Sonic Cruiser, pensato appositamente per il transonico:

 

 

P.S.: gli studi del Sonic Cruiser (fine anni '90, primi 2000) furono "riciclati" per il 787, perciò questo progetto non è stato poi così malvagio!

[Enema_27]

In ogni caso se esiste un picco di resistenza nel transonico, significa anche che ci sarà una successiva riduzione per velocità maggiori, alle quali dovrebbe ristabilirsi l equilibrio spinta/resistenza. Diciamo che non mi è comunque chiaro perchè l incremento di spinta per raddoppiare la velocità è solo del 50%. Se fosse un veicolo la "spinta" o meglio la coppia alle ruote dovrebbe essere 4 volte tanto...

[Flaggy]

In ogni caso se esiste un picco di resistenza nel transonico, significa anche che ci sarà una successiva riduzione per velocità maggiori, alle quali dovrebbe ristabilirsi l equilibrio spinta/resistenza. Diciamo che non mi è comunque chiaro perchè l incremento di spinta per raddoppiare la velocità è solo del 50%. Se fosse un veicolo la "spinta" o meglio la coppia alle ruote dovrebbe essere 4 volte tanto...

La cosa si chiarisce un po' se ti dico che per viaggiare in regime alto-subsonico il velivolo non utilizza tutta la spinta full military?

La spinta non vuol dire solo velocita', ma anche accelerazione!

La spinta puo' non essere sufficiente per oltrepassare mach 1, ma puo' essere sovrabbondante per mach 0.8-0.9 ed essere quella richiesta per tutte le manovre e per le accelerazioni.

Di conseguenza l'aumento di spinta per passare da regimi subsonici a quelli max supersonici con postbruciatore inserito e' decisamente maggiore del 50%...

Considera poi che il picco di resistenza nell'intorno della velocita' del suono per essere superato richiede una spinta tale che il velivolo, se ha un'aerodinamica adatta, una volta oltrepassata quella soglia e' in grado di andare abbondantemente oltre la velocita' del suono.

Intorno alla velocita' del suono avvengono tali e tanti pasticci che gli aerei viaggiano ben sotto di essa o ben sopra...

Lontano dai casini transonici anche motori e prese d'aria funzionano meglio e, agli alti regimi supersonici, l'aria viene notevolmente compressa nel condotto di alimentazione, dando un grande aiuto ai propulsori.

Considera per es il Concorde, un aereo con un'aerodinamica ottimizzata per mach 2. Ebbene, il postbruciatore lo usa solo al decollo e in fase di accelerazione per superare mach 1...Oltre, spegne i postbruciatori e va a mach 2 senza...

 

Altra cosa da considerare...

I valori di spinta dei motori con o senza postbruciatore che vengono indicati nelle tabelle, sono ottenuti al banco...

Ben altri sono i valori ottenibili in volo alle diverse velocita' e quote e con il motore installato e un bel diffusore (il condotto della presa d'aria) davanti.

Per esempio il Mirage 2000 da caccia ha un motore da una decina di tonellate con AB...al banco...In volo oltre mach 1 pare pero' che la spinta si aggiri intorno alle 12, grazie anche alla raffinata presa d'aria a cono a geometria variabile...

In effetti l'aereo e' in grado di raggiungere mach 2 (ad alta quota dove la densita' dell'aria e quindi la resistenza sono minori).

La versione da bombardamento Mirage 2000N, per ragioni di semplificazione, ha invece delle prese d'aria fisse...Il motore e' lo stesso, ma pensi che la spinta ad alta velocita' sia uguale?

Nemmeno per sogno...e infatti l'aereo e' solo blandamente supersonico...

[Gian Vito]

Per esempio il Mirage 2000 da caccia ha un motore da una decina di tonellate con AB...al banco...In volo oltre mach 1 pare pero' che la spinta si aggiri intorno alle 12, grazie anche alla raffinata presa d'aria a cono a geometria variabile...

 

Quanto dice Flaggy risponde a verità. Non conosco il caso del Mirage 2000 ma ho letto un esempio equivalente a proposito dei motori dell'F15E in volo a oltre mach 1, a bassa quota naturalmente. La spinta è decisamente superiore ai dati tabellari. Se lo ritrovo vi scriverò la spinta effettiva.

[gianni.minnio]

anch'io ho una domanda (forse stupida)

Se ho capito bene il superamento del muro del suono consiste nel fatto che l'aereo comincia a viaggiare più veloce delle onde sonore da lui stesso creato e nella pratica (scusate la semplificazione) quindi l'aereo "sfonda" l'onda di pressione da esso stesso generato.

Se è giusto quello che ho capito, allora mi aspetterei che succedesse qualcosa di molto simile anche quando l'aereo passa da velocità superiore a Mach ad inferiore, perchè anche se al contrario attraversa comunque questo "muro invisibile". Però a me non risulta che questo accada.

Cosa sbaglio nel mio ragionamento?

Grazie

GM

[Flaggy]

Quello che si chiama muro del suono non è altro che l'inviluppo delle onde sonore prodotte dal velivolo stesso quando questo viaggia alla velocità del suono.

Non è qualcosa che esiste a prescindere dal velivolo e che può essere "sfondato" sia in accelerazione che in decelerazione.

Se il velivolo rallenta, semplicemente le onde sonore non si inviluppano più e non si crea quindi il famigerato "muro"che poi è il fronte d'onda del cono di Mach.

Il botto non si ha perchè si supera la velocità del suono, ma perchè l'osservatore che lo sente viene investito dal fronte d'onda prodotto dall'aereo, e ciò avviene a tutte le velocita maggiori di mach 1, basta che l'osservatore venga investito dal fronte delle onde sonore prodotte dal velivolo supersonico.

Se l'aereo quindi rallenta e passa da mach >1...

a mach<1

semplicemente il cono di onde sonore prodotte dal velivolo sparisce e con esso il bang sonico.

 

Tutte le problematiche aerodinamiche invece si ripresentano, perchè sia in accelerazione che in decelerazione il velivolo deve affrontare la gamma di velocità tansoniche, cioè quelle alle quali intorno al velivolo ci sono zone in cui l'aria si muove a velocità supersonica, anche se l'aereo non ha superato mach 1.

Nei moderni velivoli supersonici comunque, instabilità, vibrazioni e distacchi dello strato limite non si verificano più, tanto che da bordo praticamente ci si accorge di aver superato mach 1 solo perchè lo dicono gli strumenti...

[windsaber]

Allora ... nel "muro" le onde si sovrappongono. Ma che frequenza hanno queste onde?

Dall'equazione dell'effetto Doppler risulta tendere all'infinito ... possibile??

Ho cercato di figurarmi cosa avviene: l'onda viaggia alla stessa velocità dell'aereo, quindi l'aereo non subisce la variazione di pressione ( l'aereo "surfa" sull'onda ).

Se il ragionamento fila il muro del suono non influisce sull'aereo (sempre che voli a mach 1 precisi) ... è corretto? O no? E se no, perchè?

nota:se l'onda non viene "sentita" il periodo è zero, quindi i conti sulla frequenza tornerebbero ...

[Gian Vito]

Riprendo questo vecchio argomento perchè ho potuto confermare, dopo alcune ricerche, quanto avevo letto a proposito di alcuni voli dell’SR-71. Le velocità indicate in km/h non sembravano corrispondere al numero di Mach equivalente. Ero al corrente che a quote molto elevate la temperatura torna ad aumentare. In genere si suppone che oltrepassati gli 11000 metri la temperatura si stabilizzi a circa -56°C. E’ una semplificazione (atmosfera standard). Ma per i calcoli è sufficiente. Quel che generalmente non si sa è che il fenomeno dell’aumento termico si verifica già oltre i 20000 metri.

 

 

 

Cosa comporta tutto questo ? Che la velocità del suono oltre quella quota non è di 1062 km/h, è superiore. La cosa torna d’attualità visto il recente tentativo di superamento del muro del suono in caduta libera. In questo sito si trovano le temperature e la velocità del suono relativa a tutte le quote fino a 32000 metri:

 

http://www.engineeringtoolbox.com/elevation-speed-sound-air-d_1534.html

 

Così volare a Mach 3 a 25000 metri vuol dire viaggiare a 3223 km/h, non a 3186.

Modificato 14 Ottobre 2012 da Gian Vito

[-{-Legolas-}-]

Fantastico Gianvito

[engine]

Riapro un momento questa discussione , per indicare un sito ( e un filmato ) che mostra un'onda d'urto che si flette a causa della rifrazione

https://theaviationist.com/2022/12/27/bow-shock-wave-caught-on-camera-as-starfighter-flies-at-mach-1-7-over-florida/