6 Cenni sulla meccanica del volo

6.1 La terminologia
Inviluppo di volo del parapendio:
è l’insieme delle velocità che l’ala può assumere ricomprese tra la velocità di stallo (angoli di incidenza elevati) e la velocità massima raggiungibile, oltre la quale si avrebbe il ripiegamento frontale del bordo d’attacco per il raggiungimento di valori di incidenza bassissimi ed addirittura negativi.
La chiusura: è il collasso di una parte o di tutta l’ala con perdita di pressione interna nei cassoni, essa si verifica per assunzione di incidenza negativa del profilo
Lo stallo: è la configurazione di un’ala che, superati i valori massimi di incidenza ammessi, perde portanza. Lo stallo può essere statico o dinamico. Dipendentemente dal fatto che l’incidenza critica venga superata a bassa o ad alta velocità del sistema ala-pilota.
L’abbattimento in avanti: movimento dell’ala che affonda in avanti rispetto al pilota. Esso può essere conseguenza di uno stallo, o anche solo di una condizione di windshear verticale.
La vite piatta negativa: è una rotazione dell’ala praticamente attorno all’asse verticale ed avviene allorché si verifica lo stallo di una seminala. Si definisce negativa in quanto la seminala in stallo tende ad arretrare rispetto alla seminala che continua a volare.
L’autorotazione: è la rotazione violenta dell’ala indotta da una chiusura asimmetrica (forte resistenza all’avanzamento di una seminala rispetto all’altra) oppure prodotta dalla tendenza alla neutralità in spirale di un’ala che sta effettuando tale manovra (si tratta in questo caso di una rotazione auto-indotta al cessare dell’azione sui comandi che l’ha innescata).
Il twist: è rotazione del corpo del pilota rispetto all’asse trasversale dell’ala che comporta un attorcigliarsi del fascio funicolare ed inibisce la possibilità di intervento dei comandi che al loro azionamento sarebbero sottoposti a forte frizione.
L’attitudine allo smorzamento delle oscillazioni: è una caratteristica dell’ala legata al tempo necessario a tornare in una condizione di stabilità dopo esserne stata allontanata da fattori esterni. Su un parapendio una breve azione di trazionamento simmetrico sui comandi induce un’oscillazione a cabrare ed a picchiare. Il tempo che l’ala impiega a ritornare autonomamente ad una condizione di volo stabilizzato ed il numero di oscillazioni effettuate prima che ciò avvenga sono ad esempio un parametro di valutazione delle capacità di smorzamento dell’ala stessa.
La manovrabilità: è la possibilità di un’ala di effettuare un certo numero di manovre.
La maneggevolezza: è la possibilità di un’ala di effettuare le manovre di cui sopra misurata in termini di tempo di effettuazione, corsa dei comandi e sforzo da esercitarsi su di essi.
Stabilità, neutralità e instabilità: un oggetto è da considerarsi dotato di stabilità se, spostato dalla sua posizione di equilibrio, tende a ritornare spontaneamente alle condizioni iniziali; è da considerarsi dotato di equilibrio indifferente (dotato cioè di neutralità rispetto al concetto di stabilità) se spostato dalla sua posizione di equilibrio rimane stabile nella nuova posizione al cessare dell’azione che ne ha determinato lo spostamento; è da considerarsi instabile o dotato di equilibrio instabile quando spostato dalla sua posizione di equilibrio esso tende ad allontanarsene sempre più al cessare dell’azione che ne ha determinato lo spostamento iniziale. Con riferimento all’esempio del comportamento all’uscita dalla spirale un parapendio può essere stabile (non confondiamo questo con la stabilità in spirale!!!) se al cessare delle azioni del pilota che hanno reso possibile la manovra l’ala esce dalla spirale, può presentare un comportamento neutro se al cessare delle azioni del pilota che hanno reso possibile la manovra l’ala continua a spiralare, può presentare una instabilità all’uscita dalla spirale se al cessare delle azioni del pilota che hanno reso possibile la manovra l’ala incrementa la sua velocità di rotazione.

6.2 Alcuni importanti richiami sulle definizioni
La corda aerodinamica di riferimento di un profilo è costituita da un segmento di retta che unisce il bordo d’attacco al bordo di uscita dello stesso. La corda aerodinamica di riferimento è quella che nei trattati sul parapendio oggi a disposizione viene comunemente detta corda alare.
La corda media di curvatura di un profilo è una linea non necessariamente retta che parte dal bordo di attacco e termina al bordo di uscita, costituita dall’insieme dei punti equidistanti dall’intradosso e dall’estradosso. Attenzione a non confondere questa linea (che come visto può anche non essere un segmento di retta) con la corda media alare. Infatti l’ala è costituita da infinite sezioni verticali adiacenti aventi ciascuna una corda aerodinamica di riferimento. La media di queste corde di riferimento (come si è precisato rettilinee) in termini di angoli formati rispetto al piano orizzontale e rispetto alle lunghezze è quella che comunemente viene chiamata corda media (aerodinamica) alare.
L’assetto di un parapendio è l’angolo tra il piano orizzontale e la corda media alare e cambia per effetto di eventuali oscillazioni a cabrare e picchiare oppure per effetto dell’azione simmetrica sui comandi che cambiano la curvatura dell’ala alterando l’inclinazione della corda media alare.
L’incidenza di un’ala è l’angolo compreso tra la corda media alare e la traiettoria all’aria dell’ala stessa (o la direzione del vento relativo).
La risultante aerodinamica o forza aerodinamica totale è la forza generata dal moto dell’ala, è normalmente diretta verso l’alto e si oppone al peso del sistema ala-pilota.
La portanza è una forza componente della risultante aerodinamica avente direzione perpendicolare alla traiettoria di volo. Si rammenta che non è possibile generare portanza senza che si generi resistenza.
La resistenza è una forza di natura aerodinamica, componente della risultante aerodinamica avente direzione parallela alla traiettoria di volo, essa si oppone al moto del sistema ala-pilota.
La trazione è una forza parallela alla direzione del moto capace di mettere o mantenere in moto il sistema ala-pilota in assenza di propulsori ed è una componente del peso del sistema stesso il cui valore varia al variare del peso ed al variare della pendenza della traiettoria. La trazione si oppone alla resistenza aerodinamica.
Una grandezza vettoriale è una grandezza fisica rappresentabile graficamente da una freccia la cui lunghezza è proporzionale all’entità della grandezza stessa e di un orientamento, cioè di una direzione e di un verso. Le forze e le velocità sono grandezze fisiche vettoriali.
Il Cp o coefficiente di portanza è un coefficiente numerico che dipende dal tipo di profilo alare e dall’angolo di incidenza. In volo esso può essere variato variando appunto l’angolo di incidenza.
Il Cr o coefficiente di resistenza è un coefficiente numerico che dipende dal tipo di profilo alare e dall’anglo di incidenza. In volo esso può essere variato variando appunto l’angolo di incidenza. Cp e Cr variano in maniera diversa al variare dell’incidenza rendendo così possibile variare l’efficienza dell’ala (che è rappresentata dal rapporto dei due coefficienti in questione).
Caratteristiche geometriche di un’ala di parapendio
Pianta dell’ala: ne rappresenta la forma in pianta, che può essere da rettangolare ad ellittica con infinite sfumature di forma.
Superficie alare: si ricava misurando fisicamente la superficie dell’intradosso disteso perfettamente su una superficie piana. E’ il prodotto della corda media alare per il valore dell’apertura alare che è pari alla distanza tra un’estremità e l’altra dell’ala misurata col metodo sopra indicato.
Superficie proiettata: trattasi di una superficie che serve per i calcoli ma che non è reale in quanto proiezione dell’ala sul piano orizzontale: la superficie proiettata varia al variare dell’angolo di rollio ed a quello di assetto.
Allungamento: è il rapporto tra il quadrato dell’apertura alare e la superficie alare.
Inarcamento: è il profilo o forma che presenta l’ala vista da davanti, può essere da semicircolare ad ellittico anche poco accentuato.
Svergolamento: è la variazione degli angoli di calettamento delle varie sezioni verticali dell’ala a partire dal centro verso le estremità. Mediamente lo svergolamento è realizzato fornendo maggiori angoli di calettamento alle estremità alari rispetto al centro dell’ala (vedi il parapendio), ma può essere anche il contrario (per alcuni tipi di parapendio e per il deltaplano).
Calettamento dell’ala: è determinato dalla lunghezza relativa delle varie file di cordini A, A’, B, C, D ecc. Corrisponde in sostanza all’angolo di assetto quando l’ala vola stabilizzata in volo rettilineo.
Centraggio: nel parapendio il centraggio è rappresentato dalla proiezione verso l’alto, in verticale, sulla corda media alare del baricentro del pilota ed è espresso in percentuale della lunghezza della corda stessa (es. 25%, 28%, 30%) Tipo di profilo adottato: tenuto conto che almeno dimensionalmente parlando il profilo di un parapendio varia al variare della sezione tant’è che l’ala stessa può essere considerata l’insieme di un infinito numero di sezioni alari aventi diverso profilo, esiste un’ampia gamma di profili che si possono adottare progettando un parapendio. Esiste di essi un catalogo informatizzato vero e proprio capace di fornire per ogni profilo i valori del coefficiente di portanza, di resistenza, nonché i valori di coppia fornita dall’effetto delle forze aerodinamiche applicate al centro di spinta che non coincide con il centro di rotazione attorno agli assi. I dati forniti sono però calcolati teoricamente per un’atmosfera perfetta e per una superficie alare perfetta che non possono mai di fatto realizzarsi.
Tipi di profilo esistenti: i tipi di profilo sono legati alla forma della loro corda media di curvatura (attenti alle confusioni terminologiche!!) che come ricordiamo si è detto poter essere rettilinea, curva convessa o curva concava, ed al loro massimo spessore che può essere ubicato in corrispondenza di varie posizioni rispetto alla corda stessa.
Variazioni di profilo in funzione della distanza dal piano verticale di simmetria dell’ala: come già detto è possibile che in sede di progetto si scelga di adottare profili diversi per le diverse sezioni verticali adiacenti dell’ala in modo tale da modulare i valori di portanza e resistenza sezione per sezione, oltre a provvedere a creare uno svergolamento a parità di profilo adottato (vedi sopra).
Deformazione dei profili
La forma di un profilo: il profilo di un parapendio è mantenuto in forma grazie alla pressione interna ai cassoni. Essa non può eccedere la pressione totale (dinamica + statica) che investe il mezzo in movimento senza che si intervenga con mezzi artificiali esterni (ad esempio con un compressore).
Arricciamento e deformazione della struttura del bordo d’attacco: ad angoli di incidenza ridotti, prossimi ai minimi accettabili, può accadere che la pressione dinamica superi il valore della pressione interna (almeno per un transiente di tempo) e determini una deformazione temporanea del bordo d’attacco. Ciò genera un aumento transitorio di resistenza che si rivela quanto mai utile durante gli abbattimenti in avanti dell’ala in quanto sostanzialmente l’aumento di resistenza tende a ridurre l’abbattimento stesso ed a riportare l’ala a valori di incidenza maggiori e più normali (è questa una forma di stabilità tipica del parapendio).
Stabilità in chiusura simmetrica: una chiusura simmetrica del bordo d’attacco dell’ala genera un brusco aumento di resistenza, l’ala basculla all’indietro come ben sappiamo e così facendo si predispone ad assumere un maggior angolo di incidenza al momento della riapertura. Ciò frena ed inibisce parzialmente l’abbattimento in avanti dell’ala che ne consegue e così si può dire che nell’assumere tale configurazione inusuale l’ala contribuisce con una sua intrinseca stabilità a risolvere la situazione critica che potrebbe determinarsi.
Deformazioni dovute all’assunzione di elevati angoli di incidenza: l’aumento di incidenza porta allo stallo dell’ala in funzione del profilo adottato, ma anche perché si registra in tale condizione una diminuzione della pressione interna ai cassoni (alti angoli di incidenza = bassa velocità all’aria = minore pressione totale). Nel caso l’ala abbia gli attacchi delle varie file di cordini alquanto distanziati tra loro nel senso dell’asse longitudinale, si può verificare un raccorciamento del profilo anticipando così per deformazione il fenomeno dello stallo. Le velocità di stallo di ali simili sono di gran lunga superiori a quelle delle ali in cui il progettista ha contenuto la distanza nel senso dell’asse longitudinale tra le file di cordini.
Parametri ed elementi che influenzano l’equilibrio del parapendio
La lunghezza del fascio funicolare: La stabilità di un sistema pendolare si somma o può addirittura sostituire altre forme di stabilità. L’efficacia in termini di stabilità di un sistema pendolare quale è il parapendio dipende dall’altezza del cono formato dal fascio funicolare.
La resistenza dell’ala: essa può essere di attrito, di forma ed indotta (quest’ultima dovuta ai vortici marginali originati dalla differenza di pressione esistente sotto e sopra l’ala).
La resistenza del fascio funicolare: essa è una parte non trascurabile della resistenza aerodinamica totale. Diminuire la sezione dei cordini non rappresenta necessariamente la miglior soluzione nel caso si voglia ridurre la resistenza di cui sopra, infatti conviene ridurne la lunghezza complessiva che si ricava sommando la lunghezza di tutti i tratti di cordino presenti. Ciò si realizza non riducendo l’altezza del fascio funicolare ma limitando il numero di cordini che lo compongono. Pur se questo può voler dire che se ne deve aumentare un poco il diametro (un cordino di 2 mm di diametro non produce una resistenza doppia di un cordino di 1 mm di diametro). Il compromesso dipenderà dalla destinazione d’uso dell’ala (scuola, competizione ecc.).
La resistenza del corpo del pilota: Può variare in funzione del tipo di imbrago, in funzione della posizione assunta dal pilota in volo, ed anche inaspettatamente dal coefficiente d’attrito del materiale di cui è fatta l’imbrago stesso e di cui è vestito il pilota.
Il diedro alare: esso può essere positivo se le estremità alari in volo livellato e rettilineo giacciono su un piano più alto rispetto a quello su cui giace il centro dell’ala, può essere neutro o piatto nel caso in cui i tre citati elementi giacciano sullo stesso piano, può essere negativo nel caso le estremità alari in volo livellato e rettilineo giacciano su un piano posto più in basso rispetto a quello su cui giace il centro dell’ala. Ai fini della stabilità rispetto all’asse longitudinale il diedro alare è di estrema importanza. Nel caso di diedro positivo avremo stabilità aerodinamica del mezzo, nel caso di diedro piatto avremo neutralità (equilibrio dinamico attorno all’asse longitudinale indifferente), nel caso di diedro negativo avremo instabilità in rollio. Ovviamente il parapendio per la sua forma è dotato di instabilità in rollio, ma per fortuna la sua stabilità pendolare è tale da compensare perfettamente ed abbondantemente questa sua caratteristica negativa sul piano aerodinamico.
Il tipo e la regolazione dell’imbrago: è noto come il tipo di imbrago utilizzato determini ed influenzi il comportamento del parapendio oltre che fornire diverse sensazioni al pilota che lo vola. Di per se parrebbe che al di la del sistema ABS o dei Crosillons tanto deprecati in quanto elementi inibitori del pilotaggio "attivo", l’imbrago possa influire poco sulla stabilità dell’ala, ma in effetti dal momento che l’ala stessa diviene solidale con l’imbrago sin da prima del decollo non è possibile considerare i due elementi separati ai fini di una valutazione della stabilità del sistema nel suo insieme. In particolare se le regolazioni dell’imbrago di discostano da quelle che il progettista ha previsto allora la stabilità del sistema ala-pilota viene alterata. Si pensi che in fondo il pilota agisce in volo non solo con i comandi ma anche con il trasferimento del peso. Ciò facendo permette al fascio funicolare destro di abbassarsi mentre quello opposto si alza e viceversa. Appunto come se fascio destro e sinistro costituissero un insieme simile ad una corda che scorre in una gola di una puleggia costituita nella fattispecie dall’imbrago. Non è difficile intuire che maggiore è il diametro della puleggia maggiore è l’entità lineare dello scorrimento del fascio a parità di rotazione angolare della puleggia-imbrago stessa. Per questo tutti i costruttori, a seguito di valutazioni teorico-pratiche derivanti dai problemi di omologazione e dall’analisi dell’incidentistica hanno stabilito di progettare ali la cui stabilità è garantita solo se almeno certe regolazioni dell’imbrago rimangono fissate. Tra queste ricordiamo l’altezza del punto d’attacco dell’ala dal piano di seduta dell’imbrago che deve essere di 42 cm mentre la distanza interasse tra le bretelle di dx e di sx deve essere compresa tra i 38 cm ed i 46 cm a seconda del peso del pilota.
Effetti delle superfici frenanti
Azionando i freni si producono due effetti dovuti al modificarsi del bordo di uscita: un aumento della resistenza dell’ala una modificazione della curvatura media del profilo (la corda media di curvatura si inarca in quanto la sua estremità posteriore si abbassa).
Effetti prodotti in volo rettilineo: l’aumento di resistenza crea un momento cabrante. Ciò genera una modifica degli equilibri ala-pilota con una variazione in aumento dell’angolo di assetto transitoria in quanto principalmente le caratteristiche di pendolarità del sistema provvedono a riportare il tutto in condizioni di equilibrio non senza il contributo fornito da uno spostamento all’indietro del centro di pressione, capace di generare un momento stabilizzante a picchiare. L’arretramento del centro di pressione di fatto è determinato dall’aumento di incurvamento del profilo. In ogni caso tutto il processo descritto produce un rallentamento dell’ala contemporaneamente ad una variazione di pendenza della sua traiettoria e della sua efficienza all’aria.
Effetti in virata: l’aumento di incurvamento del profilo ha prodotto in certi casi comportamenti particolari di alcune ali. Vi sono stati casi in cui l’incurvamento maggiore indotto dal trazionamento di un freno effettuato per innescare una virata ha prodotto una tendenza dell’ala ad inclinarsi rollando (ruotare rispetto all’asse longitudinale) in senso opposto (abbiamo visto infatti che l’aumento di incurvamento determina un momento picchiante dovuto all’arretramento del centro di pressione!!). Ciò si verificava a seguito di trazionamenti del comando di scarsa entità. Sulle ali di nuova concezione ed appartenenti a generazioni più recenti sul fenomeno di cui sopra prevale decisamente l’aumento di resistenza dell’ala dovuto all’azionamento di un freno: esso induce principalmente ed inizialmente un’imbardata (rotazione attorno all’asse verticale), quindi la seminala interna rallenta e quella esterna accelera sino a quando le variazioni di resistenza indotte da accelerazione e decelerazione non raggiungono una situazione di equilibrio "bloccando" le semiali in una posizione tra loro relativa che dipende dall’escursione del comando adottata. Contemporaneamente però la semiala esterna accelerando produce temporaneamente maggior portanza e si solleva e l’altra perde portanza e si abbassa inducendo un determinato angolo di rollio. In un transiente di tempo minimo si ristabiliscono gli equilibri tra le varie forze e l’ala rimane inclinata lateralmente virando sino a quando il comando del freno non verrà rilasciato. Un’ala che non presenti le caratteristiche comportamentali descritte e caratterizzate dall’induzione di rollio dovuta ad una iniziale imbardata può essere dotata di una scarsa interrelazione tra moti di imbardata e moti di rollio, si dice che "vira piatto" ed è certamente un’ala con un’alta tendenza alla vite piatta.