TUTTO QUELLO CHE C'E' DA SAPERE SULL'EFFETTO COANDA

In questa stagione 2012, uno dei termini, che più avete sentito usare per descrivere il funzionamento degli scarichi di parecchi team di F.1 è stata Effetto Coanda.
Tale effetto, prede il nome dal suo inventore: Henri Marie Coandă (Bucarest, 7 giugno 1886 – Bucarest, 25 novembre 1972) il quale è stato uno scienziato e ingegnere rumeno. e fu tra i pionieri dell'aerodinamica moderna.
Nel 1910 presentò il primo aereo a getto (solo 7 anni dopo il primo volo dei fratelli Wright) dando così vita al primo aereo con motoreattore della storia dell'aeronautica.
Henri Coandă è inoltre famoso, come già sopra ricordato, per la scoperta del cosiddetto effetto Coandă, un importante fenomeno fluidodinamico.

Il Coanda-1910 del mondo, aerei primo getto
Aereo utilizzato nel 1910 da Coanda

Nel 1934 ha ottenuto il brevetto in Francia per aver descritto il principio che dimostra la tendenza di un getto di fluido a seguire il contorno di una superficie vicina. Tale effetto ha preso il nome dal suo scopritore ed è per questo stato chiamato effetto Coanda.
Purtroppo Coanda non ha potuto continuare la sua ricerca in quanto non aveva finanziamenti per realizzare un altro aereo a motore, dopo aver distrutto il suo. Probabilmente, se avesse potuto continuare con gli studi, la Francia avrebbe potuto avere degli aerei a reazione disposizione, prima dell'inizio della seconda guerra mondiale.
Anche se non ha costruito un altro aereo a reazione, Conda ha dato un contributo molto importante nello studio della portanza delleali per aerei, grazie alla scoperta dell'effetto Coanda.

Effetto Coanda: Un flusso di fluido in movimento a contatto con una superficie curva tenderà a seguire la curvatura della superficie piuttosto che continuare a viaggiare in linea retta .

Sollevare sulla fascia
L'effetto Coanda (immagini di Jef Raskin)

Se una corrente d’acqua scorre lungo una superficie solida che è leggermente curvata al di fuori di essa, l’acqua tende a seguire tale superficie (Fig. basso).

L'acqua segue la superficie del cucchiaio. Una dimostrazione dell'effetto Coanda
Questo è un semplice esempio dell’effetto Coanda e lo si può facilmente dimostrare tenendo il fondo di un cucchiaio verticalmente sotto ad un piccolo getto d’acqua di un rubinetto. Se tenete il cucchiaio in modo tale che possa oscillare, lo sentirete chiaramente attrarre verso il getto. Questo effetto ha dei limiti: se usate una sfera al posto del cucchiaio, vedrete che l’acqua circonda solo una parte di essa. Inoltre, se la superficie ha un raggio di curvatura troppo stretto, l’acqua non lo segue più, ma si limita a piegarsi un po’ ed allontanarsi subito dalla superficie.
L’effetto Coanda funziona con tutti i comuni fluidi, come appunto l’aria, a temperature, pressioni e velocità relativamente normali.
Faccio questa distinzione perché (solo per fare qualche esempio) l’elio liquido, i gas agli estremi (bassi ed alti) di temperatura e pressione ed i fluidi a velocità supersonica spesso si comportano in maniera differente.
Fortunatamente coi nostri modelli non ci dobbiamo preoccupare di questi casi estremi. Un’altra cosa della quale non dobbiamo necessariamente preoccuparci è il perché dell’effetto Coanda.
Possiamo accontentarci di assumerlo come fatto sperimentale, ma io spero che a questo punto la vostra curiosità sia insoddisfatta e ne vogliate sapere di più.
Un’espressione spesso usata per chiarire l’effetto Coanda è che il flusso viene “imbarcato” dalla superficie. Un vantaggio del discutere di portanza e resistenza in termini di effetto Coanda è che noi possiamo visualizzare le forze coinvolte in maniera diretta. La spiegazione comune (ed i metodi usati in alcuni seri testi di aerodinamica) sono tutt'altro che chiari quando cercano di mostrare come il movimento dell’aria sia fisicamente legato all'ala  Questo accade in parte perché molte delle teorie sviluppate negli anni ‘20 si conformavano alla necessità delle equazioni differenziali risultanti (basate principalmente sul teorema di Kutta-Joukowsky , di avere soluzioni in forma chiusa o di fornire risultati numerici utilizzabili con i metodi disponibili all'epoca (carta e penna).

L’approccio moderno fa invece uso del computer. Ed ora cercheremo di sviluppare un metodo alternativo per visualizzare la portanza che rende più facile la previsione dei fenomeni ad essa associati.

Com'è tipico dei fisici, ho spesso parlato dell’aria che scorre sull'ala  In realtà, negli aeroplani e nell'automobilismo, è l’ala che si muove nell'aria. La cosa non fa una reale differenza pratica, quindi
d’ora in avanti parlerò di un aereo/auto che si muove nell'aria o di aria che scorre sull'ala a seconda delle necessità di chiarezza in un determinato punto del discorso. 
Ad esempio, nella prossima illustrazione, sarà più comodo guardare l’aria dal punto di vista di un aeroplano
che si muove verso sinistra mentre l’aria sta ferma. L’aria si muove verso l’ala come se vi fosse attaccata con elastici invisibili.
Spesso fa comodo pensare alla portanza (campo aeronautico) come all'azione di elastici che tirano l’ala verso l’alto (Fig.a sinistra (a)).

Per deportanza (campo automobilistico), si intende l'esatto opposto: elastici che tirano l'ala verso il basso. 
Un altro dettaglio è importante: l’aria viene “trascinata” anche nella direzione del movimento dell’ala. Quindi ciò che avviene è più simile a quel che si vede nella fig. sopra a sinistra (b).
Se voi foste dentro ad una canoa e cercaste di tirare qualcuno che si trova nell'acqua con una corda verso di voi, la vostra canoa si muoverebbe verso quella persona. E’ un classico esempio di azione e reazione.
Voi spingete una massa d’aria verso il basso e l’ala si muove verso l’alto. Questa è una pratica visualizzazione della portanza generata dal dorso dell’ala. Come il disegno suggerisce, l’ala ha speso parte della propria energia, necessariamente, nello spostare in avanti l’aria e gli elastici immaginari la tirano un po’ indietro. Questo è un modo semplice per visualizzare la resistenza provocata dalla portanza che l’ala genera. Non si può avere portanza senza resistenza. L’accelerazione dell’aria attorno alla stretta curvatura della parte anteriore dell’ala contribuisce a fornire una componente verso il basso ed in avanti al movimento delle molecole d’aria (in effetti si tratta di un rallentamento verso l’alto ed un movimento all'indietro, che è
equivalente) e ciò contribuisce alla portanza. Gli esperimenti con la galleria del vento in miniatura descritta prima sono facilmente comprensibili in termini di effetto Coanda. Il profilo normale costringe il flusso dell’aria
a muoversi verso il basso e, per reazione, si sviluppa una forza verso l’alto. Il profilo concavo costringe il flusso a muoversi verso l’alto ed in questo caso ne risulta una forza che spinge in basso. Il profilo ricurvo genera un sacco di resistenza facendo muovere molecole d’aria verso l’alto e verso il basso in continuazione.
Ciò consuma energia (generando calore da attrito) ma questo non crea un preciso movimento verso il basso
dell’aria e quindi non crea un preciso movimento verso l’alto dell’ala. E’ facile, basandosi sull'effetto Coanda, visualizzare perché l’angolo d’attacco abbia un’importanza cruciale per i profili simmetrici, perché gli aeroplani possono fare il volo rovescio, perché le lastre piane ed i profili sottili funzionano e perché
il primo esperimento, quello con le strisce di carta convesse e concave, dà quei risultati.

Vi siete mai chiesti come fa un aereo, pesante diverse tonnellate, a restare sospeso in aria senza cadere? 
Sicuramente, molti di voi mi risponderanno: un aereo vola grazie all'effetto Bernoulli dovuto al particolare profilo dell'ala.
Però, se provata a ragionare un po', capirete anche da soli che questa spiegazione è leggermente strana.

Cosa dice, in sintesi, l'effetto Bernulli?
Dice che, maggiore è la velocità di un fluido e minore è la sua pressione; il profilo alare è disegnato in maniera tale per cui l'aria che fluisce sul bordo superiore deve compiere un tragitto più lungo di quella nel bordo inferiore, nello stesso tempo. Ciò significa una maggiore velocità del fluido che scorre sopra rispetto a quello che scorre sotto l'ala, e quindi una pressione maggiore nel bordo inferiore rispetto quello superiore. Questa differenza di pressione tra le due facce sembra quindi essere la forza che tiene in aria un aereo e non lo lascia cadere.

Allora, se fosse proprio così, come farebbe un aereo a volare rovesciato?Utilizzando il solo effetto Bernoulli, la forza in questo caso dovrebbe essere rivolta dall'alto verso il basso, e quindi non sosterrebbe l'aereo ma contribuirebbe a farlo precipitare.
La verità sta nel fatto che l'effetto Bernoulli, seppure presente, non il principale artefice della portanza: in realtà bisogna chiamare in causa un altro effetto, detto effetto Coanda,
Questo effetto tratta della caratteristica dei fluidi in movimento di aderire ad una superficie curva, a patto che la curvatura o l'angolo di incidenza del fluido non siano troppo accentuati.
Se un fluido scorre su di una superficie, è soggetto ad attrito; questa forza frenante agisce solo sullo strato di fluido direttamente a contatto con la superficie stessa, mentre gli strati più lontani, che non sono frenati dalla superficie, tendono a muoversi a velocità superiore. A causa della viscosità, che tiene uniti i vari strati del fluido, gli strati superiori più veloci si "ripiegano" su quelli inferiori più lenti, facendo aderire il fluido alla superficie.
Si dimostra dalle equazioni che tale fenomeno di aderenza del fluido alla superficie genera un gradiente di pressione.

Dai diagrammi in basso possiamo capire l'effetto Coanda apllicato a varie ali di diversa inclinazione. 

coanda_angle_of_attack
Questo diagramma mostra che aumentando l'angolo di attacco aumenta quanto l'aria viene deviato verso il basso. Se l'angolo di attacco è troppo elevato, il flusso d'aria non seguirà più la curva dell'ala per effetto Coanda. Come mostrato nella parte inferiore del grafico, questo crea un piccolo vuoto dietro l'ala. In questo caso l'ala si può definire in stallo.
L''aria si precipita a riempire questo spazio, chiamato cavitazione. Tutto questo provoca forti vibrazioni e diminuisce notevolmente l'efficienza dell'ala. Per questo motivo, le ali degli aerei sono generalmente inclinate come l'ala centrale nel diagramma. Questa ala dirige il flusso d'aria verso il basso in modo efficiente, che a sua volta spinge sulla "fascia", producendo portanza.
Il principio delle ali di aereo, per essere applicate alla F.1, basta capovolgerle e invece di creare portanza creeranno deportanza.
CFD di Formula 1 anta
Immagine al CFD di un'ala posteriore di una F.1

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