La velocità del suono

Una delle domandi più frequenti che mi rivolgono i passeggeri durante le varie fasi del volo è: “Comandante, ma a quanto stiamo andando?”. La domanda apparentemente è semplice, ma, come molte domande semplici fatte a bordo di un aereo, implica una risposta più complessa di quanto si possa immaginare.
L'aereo, infatti, non è come la macchina: non basta guardare il tachimetro per conoscere la propria velocità.


Giù dai tubi

Sull'aereo la misura della velocità si effettua tramite i “tubi di Pitot” che misurano l'entità della pressione dinamica causata dall'impatto dell’aeromobile sull'aria. La velocità indicata sull'anemometro può essere sostanzialmente diversa da quella indicata sugli schermi che sono in cabina passeggeri (molto più bassa o molto più elevata). La risposta è ingarbugliata perché di velocità da misurare ce ne sono almeno quattro:
• IAS Indicated Air Speed
• TAS True Air Speed
• GS Ground Speed
• Mach

- La IAS o “Velocità Indicata“ è la velocità che il pilota rileva a bordo leggendola sull'anemometro. Questa velocità viene usata dai Piloti per valutare la velocità di “stallo” e altre limitazioni di velocità come quelle dell’estensione o retrazione del carrello, dei flaps etc.
E’ anche la velocità usata nelle comunicazioni pilota/controllore con il termine di “speed” per concordare le diverse separazioni tra aeromobili o le velocità assegnate dal controllore per una determinata sequenza di avvicinamento. L’unità di misura è KIAS, dove un nodo (knot) è pari a 1,852 km/h.
- La TAS o "Velocità Vera rispetto all'Aria" è la velocità dell’aeromobile che si muove dentro la massa d’aria che lo circonda. Anche questa viene misurata in knots.
- La GS o “Ground Speed" è la velocità che l’aeromobile ha rispetto un osservatore al suolo e viene indicata in aereo sullo stesso schermo LCD che mostra la posizione dell’aeromobile, la velocità al suolo e di conseguenza l’arrivo stimato all'aeroporto di destinazione.
- Il numero di MACH è sicuramente più conosciuto visto che molti film come Top Gun o Stealth lo hanno usato per enfatizzare le capacità degli aerei da combattimento. Il modo di calcolare questa velocità (M) è: M=TAS/a dove “a” è la velocità del suono. Ne consegue che questo numero è il semplice rapporto tra la velocità all'aria (TAS) rispetto alla velocità del suono a quella quota e a quelle condizioni di densità e temperatura. Infatti, la velocità del suono, è molto variabile in base alla temperatura del fluido in cui il suono stesso si propaga: generalmente è pari a 340 m/s nell’aria a temperatura di circa 20 C° e in queste condizioni possiamo dire che Mach 1 equivale approssimativamente a 600 KTAS.

Eppur si muove

La necessità di poter disporre di queste quattro velocità deriva dalla fondamentale differenza tra il navigare per aria o il camminare sulla terra: l'aria si muove. Per comprendere il fenomeno basta pensare ad un viaggiatore che si sposta in un vagone del treno.

Se sta seduto, la sua velocità rispetto a tutti gli oggetti dello scompartimento è zero. Ma un osservatore fisso a terra invece può sostenere che la velocità di quel passeggero è coincidente con quella del treno. Inoltre se il passeggero si muove (supponiamo con una velocità significativa) nella stessa direzione del treno, lui percepirà una certa velocità di spostamento rispetto agli oggetti dello scompartimento, mentre il solito osservatore al suolo vedrà lo spostamento del passeggero come somma della velocità posseduta dal treno e quella espressa dal passeggero. Viceversa se il passeggero si muove nella direzione opposta del treno, l’osservatore vedrà una differenza di velocità.

Lo stesso concetto si applica ad un aereo che vola all'interno di una massa d'aria che a sua volta si sposta rispetto al terreno alla velocità del vento. Se il nostro aereo vola puntando il muso (la "prua") nella direzione del vento, il suo movimento complessivo sarà determinato, per un osservatore a terra, dalla somma delle due velocità mentre, se si muove in direzione opposta al vento, la velocità al suolo risulterà la differenza tra le due. Ne consegue che la velocità al suolo o Ground Speed (GS) è la velocità al suolo di un aeromobile ed è variabile in funzione soprattutto del vento: è quindi diversa dalla velocità anemometrica indicata (IAS) dall'anemometro a bordo dell'aereo.

Il vento non esiste!

Infine va ricordato che sotto un profilo aerodinamico per l'aereo il vento "non esiste", nel senso che non influisce sull'anemometro di bordo (velocità dell'aereo rispetto all'aria). Tutto il velivolo è immerso nella massa d'aria che si sposta con il vento, se il vento è a favore cioè il vettore della V del vento ha la stessa direzione e lo stesso verso della traiettoria di volo (in poche parole il vento è "in poppa"), la ground speed è la risultante della somma della V dell'aria (TAS, true air speed, data dalla spinta o potenza dei motori) più la V del vento.

In sintesi, se alla TAS sommiamo (o sottraiamo) gli effetti del vento, allora si arriva finalmente a una risposta coerente con le indicazioni che i passeggeri leggono sugli schermi di bordo: la Ground Speed.

Si è partiti da una velocità indicata (IAS), per arrivare a una misura direttamente rapportabile all'esperienza terrestre, la GS.

Nei miei molti anni di volo, normalmente a questo punto della spiegazione, la maggior parte dei curiosi intervistatori aveva già abbandonato il cockpit annoiata. I pochi che riuscivano a sopportare eroicamente tutto il racconto, invece, additando il nostro anemometro, non potevano fare a meno di sbottare in un: “Ma allora quello che ce lo tenete a fare?”. Ebbene, questo prezioso strumento (per i Piloti) in parte ci aiuta a rispondere alla domanda iniziale: in pratica l’anemometro è un misuratore di “pressione dinamica”, la sua indicazione di velocità (la famosa IAS) è diretta espressione della pressione dinamica che agisce sulle strutture dell'aeroplano, sulle sue ali. E le ali si trovano a lavorare nella stessa aria rarefatta in cui lavora il nostro tubo di Pitot. Se vogliamo avere un'indicazione attendibile dei margini di manovra che momento per momento abbiamo nei confronti delle velocità minime di sostentamento in aria o di quelle massime strutturali, l’anemometro rimane l'unico strumento in grado di fornircele.

In pratica se la domanda fosse del tipo: se la TAS si avvicina o supera la velocità del suono cosa accade? La risposta sarebbe stata più o meno la seguente: la corrente d'aria relativa che scorre intorno all'aereo in volo può procedere a velocità diverse a seconda della forma aerodinamica delle varie parti dell'aereo che ne sono investite, può accadere che, anche in caso di volo a velocità inferiore ma prossima a quella del suono, una parte del velivolo raggiunga la velocità del suono; si dice allora che su quella parte è stato raggiunto il numero di Mach critico.

Quando ciò accade sull'ala, si forma sul dorso alare un'onda d'urto che, con l'aumentare della velocità, si sposta all'indietro verso il bordo di uscita, finché si distacca dall'ala, provocando però anche il distacco del flusso d'aria aderente all'ala stessa con conseguente perdita di portanza denominata stallo d'urto.

Il superamento della velocità del suono comporta, oltre al pericolo dello stallo d'urto, anche l'elevatissima resistenza di compressione, che sollecita duramente le strutture dell'aereo sino a provocare dei danni strutturali molto rilevanti.

Inoltre, la potenza dei motori dei normali velivoli commerciali non è sufficiente per superare l'elevatissima resistenza di compressione; per avere una idea di questa necessità, basta considerare che per volare ad una velocità di 1200 Km/h occorre una potenza motrice sette volte superiore a quella necessaria per volare a 800 Km/h.

Infine vi è un considerevole incremento della temperatura esterna cui è sottoposto il velivolo a causa dell’attrito dell'aria (che aumenta in ragione del quadrato della velocità). Per sostenere queste temperature occorre impiegare metalli ad alta resistenza termica e a rapida dissipazione del calore.

Bang bang

Ultimo elemento da segnalare è il repentino salto di pressione dovuto al sovrapporsi delle onde di propagazione, e quindi il formarsi dell'onda d'urto che entra in contatto con il velivolo, che si rivela con il rumore di una vera e propria detonazione, chiamata bang sonico. Questa si verifica nel momento in cui l’aereo oltrepassa la velocità del suono, e talvolta si odono più "bang" consecutivi al superamento della barriera sonica della prua, poi dell'ala e infine degli impennaggi di coda.

Poiché il cono di Mach va progressivamente allargandosi e allungandosi all'avanzare dell'aeromobile, le onde d'urto arrivano sino a terra dove sono facilmente udibili se il velivolo vola a bassa quota, e continuano ad essere percepibili fino a circa 15 km di distanza dal punto in cui si sono prodotte e su un fronte di circa 5 km.

Se le onde d'urto prodotte dal superamento della velocità del suono sono molto intense, possono produrre, a terra, seri danni alle persone, ai fabbricati e alle colture. Per tale motivo ai velivoli supersonici viene prescritto di superare la barriera del suono solo quando si trovano ad altissima quota o sul mare aperto; sono inoltre state studiate, per i velivoli moderni, forme di penetrazione atte a ridurre le onde d'urto generate dall'attraversamento della barriera sonica.

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