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Aerei: come fanno a volare e sicurezza

13 Nov

Attraverso i commenti del  blog, un nostro caro lettore ci ha fatto una domanda, a suo dire, apparentemente molto semplice ma che, come potete verificare molto facilmente, genera tantissima confusione. In sintesi la domanda e’ questa: perche’ si dice che volare in aereo e’ cosi sicuro?

Per poter rispondere a questa domanda, si devono ovviamente scartabellare i numeri ufficiali degli incidenti aerei. Questo ci consente di poter verificare la probabilita’ di un incidente aereo rapportato, ad esempio, a quelli ben piu’ noti automobilistici. Partendo da questa domanda, mi sono pero’ chiesto qualcosa in piu’: sappiamo veramente perche’ gli aerei riescono a volare? Anche questa potrebbe sembrare una domanda molto semplice. Si tratta di una tecnologia conosciuta da diversi decenni eppure, incredibile ma vero, non tutti sanno perche’ questi enormi oggetti riescono a stare in aria. Facendo un giro su internet, ho scoperto come anche molti siti di divulgazione della scienza fanno delle omissioni o dicono cose formalmente sbagliate.

Detto questo, credo sia interessante affrontare un discorso piu’ ampio prima di poter arrivare a rispondere alla domanda sugli incidenti aerei.

Partiamo dalle basi, come sapete ruolo fondamentale nel volo aereo e’ quello delle ali. Mentre il motore spinge in avanti l’apparecchio, le ali hanno la funzione di far volare l’aereo. Ora, per poter restare in quota, o meglio per salire, senza dover parlare di fisica avanzata, c’e’ bisogno di una forza che spinga l’aereo verso l’alto e che sia maggiore, o al limite uguale per rimanere alle stessa altezza, del peso dell’aereo stesso.

Come fanno le ali ad offrire questa spinta verso l’alto?

Forze agenti sull'ala durante il volo

Forze agenti sull’ala durante il volo

Tutto il gioco sta nel considerare l’aria che scorre intorno all’ala. Vediamo la figura a lato per capire meglio. L’aria arriva con una certa velocita’ sull’ala, attenzione questo non significa che c’e’ vento con questa velocita’ ma, pensando al moto relativo dell’aereo rispetto al suolo, questa e’ in prima approssimazione la velocita’ stessa con cui si sta spostando l’aereo. Abbiamo poi il peso dell’aereo che ovviamente e’ rappresentato da una forza che spinge verso il basso. D e’ invece la resistenza offerta dall’ala. Vettorialmente, si stabilisce una forza L, detta “portanza”, che spinge l’aereo verso l’alto.

Perche’ si ha questa forza?

Come anticipato, il segreto e’ nell’ala, per la precisione nel profilo che viene adottato per questa parte dell’aereo. Se provate a leggere la maggiorparte dei siti divulgativi, troverete scritto che la forza di portanza e’ dovuta al teorema di Bernoulli e alla differenza di velocita’ tra l’aria che scorre sopra e sotto l’ala. Che significa? Semplicemente, l’ala ha una forma diversa nella parte superiore, convessa, e inferiore, quasi piatta. Mentre l’aereo si sposta taglia, come si suole dire, l’aria che verra’ spinta sopra e sotto. La differenza di forma fa si che l’aria scorra piu’ velocemente sopra che sotto. Questo implica una pressione maggiore nella parte inferiore e dunque una spinta verso l’alto. Per farvi capire meglio, vi mostro questa immagine:

Percorso dell'aria lungo il profilo alare

Percorso dell’aria lungo il profilo alare

Come trovate scritto in molti siti, l’aria si divide a causa del passaggio dell’aereo in due parti. Vista la differenza di percorso tra sopra e sotto, affinche’ l’aria possa ricongiungersi alla fine dell’ala, il fluido che scorre nella parte superiore avra’ una velocita’ maggiore. Questo crea, per il teorema di Bernoulli, la differenza di pressione e quindi la forza verso l’alto che fa salire l’aereo.

Spiegazione elegante, semplice, comprensibile ma, purtroppo, fortemente incompleta.

Perche’ dico questo?

Proviamo a ragionare. Tutti sappiamo come vola un aereo. Ora, anche se gli aerei di linea non lo fanno per ovvi motivi, esistono apparecchi acrobatici che possono volare a testa in giu’. Se fosse vero il discorso fatto, il profilo dell’ala in questo caso fornirebbe una spinta verso il basso e sarebbe impossibile rimanere in aria.

Cosa c’e’ di sbagliato?

In realta’ non e’ giusto parlare di spiegazione sbagliata ma piuttosto bisogna dire che quella data e’ fortemente semplificata e presenta, molto banalmente come visto, controesempi in cui non e’ applicabile.

Ripensiamo a quanto detto: l’aria scorre sopra e sotto a velocita’ diversa e crea la differenza di pressione. Chi ci dice pero’ che l’aria passi cosi’ linearmente lungo l’ala? Ma, soprattutto, perche’ l’aria dovrebbe rimanere incollata all’ala lungo tutto il percorso?

La risposta a queste domande ci porta alla reale spiegazione del volo aereo.

L'effetto Coanda sperimentato con un cucchiaino

L’effetto Coanda sperimentato con un cucchiaino

Prima di tutto, per capire perche’ l’aria rimane attaccata si deve considerare il profilo aerodinamico e il cosiddetto effetto Coanda. Senza entrare troppo nella fisica, questo effetto puo’ semplicemente essere visualizzato mettendo un cucchiaino sotto un lieve flusso d’acqua. Come sappiamo bene, si verifica quello che e’ riportato in figura. L’acqua, che cosi’ come l’aria e’ un fluido, scorre fino ad un certo punto lungo il profilo del metallo per poi uscirne. Questo e’ l’effetto Coanda ed e’ quello che fa si che l’aria scorra lungo il profilo alare. Questo pero’ non e’ ancora sufficiente.

Nella spiegazione del volo utilizzando il teorema di Bernoulli, si suppone che il moto dell’aria lungo l’ala sia laminare, cioe’, detto in modo improprio, “lineare” lungo l’ala. In realta’ questo non e’ vero, anzi, un moto turbolento, soprattutto nella parte superiore, consente all’aria di rimanere maggiormente attaccata evitando cosi’ lo stallo, cioe’ il distaccamento e la successiva diminuzione della spinta di portanza verso l’alto.

In realta’, quello che avviene e’ che il moto dell’aria lungo il profilo compie una traiettoria estremamente complicata e che puo’ essere descritta attraverso le cosiddette equazioni di Navier-Stokes. Bene, allora scriviamo queste equazioni, risolviamole e capiamo come si determina la portanza. Semplice a dire, quasi impossibile da fare in molti sistemi.

Cosa significa?

Le equazioni di Navier-Stokes, che determinano il moto dei fluidi, sono estremamente complicate e nella maggior parte dei casi non risolvibili esattamente. Aspettate un attimo, abbiamo appena affermato che un aereo vola grazie a delle equazioni che non sappiamo risolvere? Allora ha ragione il lettore nel chiedere se e’ veramente sicuro viaggiare in aereo, praticamente stiamo dicendo che vola ma non sappiamo il perche’!

Ovviamente le cose non stanno cosi’, se non in parte. Dal punto di vista matematico e’ impossibile risolvere “esattamente” le equazioni di Navier-Stokes ma possiamo fare delle semplificazioni aiutandoci con la pratica. Per poter risolvere anche in modo approssimato queste equazioni e’ necessario disporre di computer molto potenti in grado di implementare approssimazioni successive. Un grande aiuto viene dalla sperimentazione che ci consente di determinare parametri e semplificare cosi’ la trattazione matematica. Proprio in virtu’ di questo, diviene fondamentale la galleria del vento in cui vengono provati i diversi profili alari. Senza queste prove sperimentali, sarebbe impossibile determinare matematicamente il moto dell’aria intorno al profilo scelto.

In soldoni, e senza entrare nella trattazione formale, quello che avviene e’ il cosiddetto “downwash” dell’aria. Quando il fluido passa sotto l’ala, viene spinto verso il basso determinando una forza verso l’alto dell’aereo. Se volete, questo e’ esattamente lo stesso effetto che consente agli elicotteri di volare. In quest’ultimo caso pero’, il downwash e’ determinato direttamente dal moto dell’elica.

Detto questo, abbiamo capito come un aereo riesce a volare. Come visto, il profilo dell’ala e’ un parametro molto importante e, ovviamente, non viene scelto in base ai gusti personali, ma in base ai parametri fisici del velivolo e del tipo di volo da effettuare. In particolare, per poter mordere meglio l’aria, piccoli velivoli lenti hanno ali perfettamente ortogonali alla fusoliera. Aerei di linea piu’ grandi hanno ali con angoli maggiori. Al contrario, come sappiamo bene, esistono caccia militari pensati per il volo supersonico che possono variare l’angolo dell’ala. Il motivo di questo e’ semplice, durante il decollo, l’atterraggio o a velocita’ minori, un’ala ortogonale offre meno resitenza. Al contrario, in prossimita’ della velocita’ del suono, avere ali piu’ angolate consente di ridurre al minimo l’attrito viscoso del fluido.

Ultimo appunto, i flap e le altre variazioni di superficie dell’ala servono proprio ad aumentare, diminuire o modificare intensita’ e direzione della portanza dell’aereo. Come sappiamo, e come e’ facile immaginare alla luce della spiegazione data, molto importante e’ il ruolo di questi dispositivi nelle fasi di decollo, atterraggio o cambio quota di un aereo.

In soldoni dunque, e senza entrare in inutili quanto disarmanti dettagli matematici, queste sono le basi del volo.

Detto questo, cerchiamo di capire quanto e’ sicuro volare. Sicuramente, e come anticipato all’inizio dell’articolo, avrete gia’ sentito molte volte dire: l’aereo e’ piu’ sicuro della macchina. Questo e’ ovviamente vero, se consideriamo il numero di incidenti aerei all’anno questo e’ infinitamente minore di quello degli incidenti automobilistici. Ovviamente, nel secondo caso mi sto riferendo solo ai casi mortali.

Cerchiamo di dare qualche numero. In questo caso ci viene in aiuto wikipedia con una pagina dedicata proprio alle statistiche degli incidenti aerei:

Wiki, incidenti aerei

Come potete leggere, in media negli ultimi anni ci sono stati circa 25 incidenti aerei all’anno, che corrispondono approssimativamente ad un migliaio di vittime. Questo numero puo’ oscillare anche del 50%, come nel caso del 2005 in cui ci sono state 1454 vittime o nel 2001 in cui gli attentati delle torri gemelle hanno fatto salire il numero. La maggiorparte degli incidenti aerei sono avvenuti in condizioni di meteo molto particolari o in fase di atterraggio. Nel 75% degli incidenti avvenuti in questa fase, gli aerei coinvolti non erano dotati di un sistema GPWS, cioe’ di un sistema di controllo elettronico di prossimita’ al suolo. Cosa significa? Un normale GPS fornisce la posizione in funzione di latitudine e longitudine. Poiche’ siamo nello spazio, manca dunque una coordinata, cioe’ la quota a cui l’oggetto monitorato si trova. Il compito del GPWS e’ proprio quello di fornire un sistema di allarme se la distanza dal suolo scende sotto un certo valore. La statistica del 75% e’ relativa agli incidenti avvenuti tra il 1988 e il 1994. Oggi, la maggior parte degli aerei civili e’ dotato di questo sistema.

Solo per concludere, sempre in termini statistici, e’ interessante ragionare, in caso di incidente, quali siano i posti lungo la fusoliera piu’ sicuri. Attenzione, prendete ovviamente questi numeri con le pinze. Se pensiamo ad un aereo che esplode in volo o che precipita da alta quota, e’ quasi assurdo pensare a posti “piu’ sicuri”. Detto questo, le statistiche sugli incidenti offrono anche una distribuzione delle probabilita’ di sopravvivenza per i vari posti dell’aereo.

Guardiamo questa immagine:

Statistiche della probabilita' di sopravvivenza in caso di incidente aereo

Statistiche della probabilita’ di sopravvivenza in caso di incidente aereo

Come vedete, i posti piu’ sicuri sono quelli a prua, cioe’ quelli piu’ vicini alla cabina di pilotaggio ma esiste anche una distribuzione con picco di sicurezza nelle file centrali vicino alle uscite di emergenza. Dal momento che, ovviamente in modo grottesco, i posti a prua sono quelli della prima classe, il fatto di avere posti sicuri anche dietro consente di offrire una minima ancora di salvataggio anche ad i passeggeri della classe economica.

Concudendo, abbiamo visto come un aereo riesce a volare. Parlare solo ed esclusivamente di Bernoulli e’ molto riduttivo anche se consente di capire intuitivamente il principio del volo. Questa assunzione pero’, presenta dei casi molto comuni in cui non e’ applicabile. Per quanto riguarda le statistiche degli incidenti, l’aereo resta uno dei mezzi piu’ sicuri soprattutto se viene confrontato con l’automobile. Come visto, ci sono poi dei posti che, per via della struttura ingegneristica dell’aereo, risultano statisticamente piu’ sicuri con una maggiore probabilita’ di sopravvivena in caso di incidente.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Anche i membri del congresso pensano al 21 Dicembre

28 Ago

Pian piano che ci avviciniamo al 21 Dicembre iniziano a diventare sempre di piu’ le pagine web che parlano di come salvarsi  dalla “catastrofe”. Anche in questo blog, abbiamo discusso in diverse occasioni dei vari sistemi proposti, la maggior parte al solo fine di lucro, per mettere in salvo noi ed i nostri cari, indipendentemente da quello che dovrebbe, o non dovrebbe a seconda dei punti di vista, succedere. Trovate alcune discussioni in questi post:

La salvezza e’ vicina … precisamente a Ceglie in Italia!

Aspettare il 21 Dicembre sui Pirenei

Il mondo dopo il 21 Dicembre 2012

Ovviamente, se parliamo di un impatto con un pianeta come Nibiru, ci sarebbe ben poco di cui discutere:

Effetti di un impatto con Nibiru

anche perche’ seguendo le varie voci su web, l’impatto sarebbe talmente distruttivo che non esisterebbe un luogo in cui mettersi in salvo.

Stiamo tornando su questi punti, perche’ proprio in questi giorni, ha fatto sentire la sua voce un arzillo signore di 86 anni che risponde al nome di Roscoe Barlett. Questo signore e’ infatti convinto che la fine del mondo sia molto vicina. In realta’, lui crede che una qualsiasi fine del mondo sia alle porte. Quella del 21 Dicembre potrebbe pero’ essere una data molto probabile e di cui tenere conto.

Foto di Roscoe Barlett al congresso

Tutto questo potrebbe passare inosservato se Roscoe Barlett non fosse niente meno che un membro del Congresso degli Stati Uniti d’America.

Come anticipato, Barlett e’ un grande sostenitore di una prossima catastrofe mondiale e non ha mai negato questo neanche in sedi istituzionali.

La mania di Barlett per la fine del mondo inizio’ negli anni ’80, in piena guerra fredda, quando la paura di un attacco nucleare sul suolo americano, spinse molti cittadini ad accumulare scorte di cibo per lunghi periodi e a costruire diversi rifugi, anche improvvisati, sfruttando cantine o piani interrati.

Agli inizio del 2012, il deputato ha cercato di far approvare una legge in cui ciascun cittadino americano sarebbe costretto ad accumulare ed avere una scorta di cibo a lunga conservazione che consentisse a tutta la famiglia di sostenersi per almeno 3 mesi. Nel disegno di legge si riporta anche che ciascuna comunita’ dovrebbe essere in grado di sostenersi per almeno un 20% sia dal punto di vista alimentare che energetico.

Secondo Barlett infatti, la nostra attuale societa’ e’ troppo vincolata all’energia elettrica e la mancanza di collegamenti con l’esterno, casuati da una qualsiasi catastrofe, potrebbe portare problemi ancora maggiori ai sopravvissuti.

Ovviamente il disegno di legge non e’ stato approvato dal Congresso. Nonostante questo, Barlett ha un suo personale rifugio per il 21 Dicembre, costruito nella Monongahela National Forest, preparato gia’ a partire dagli anni ’80.

In questo caso, non stiamo parlando di un ossessionato qualsiasi della fine del mondo, bensi’ di un membro del congresso, laureato in ingegneria ed ex docente universitario. Barlett ha anche scritto diversi articoli non sulle cause della fine del mondo, bensi’ su come sopravvivere a questa. Oltre alla costruzione del rifugio ed alla sussistenza alimentare ed energetica, nei suoi scritti si legge come sia importante tenersi lontani dai centri abitati, dal momento che questi rappresentano centri di pericolo anche tra i sopravvissuti alla catastrofe. Inoltre, e’ cosa utile avere una scorta di gioielli o menete d’oro o d’argento. Questi infatti potrebbero rappresentare l’unica fonte di scambio dopo la fine del mondo, quando non esisteranno piu’ monete ufficiali.

Per completezza di cronaca, resta da dire che Roscoe Barlett e’ anche considerato un fondamentalista cristiano membro degli “Avventisti del Settimo Giorno”. I sostenitori di questa chiesa in diverse occasioni hanno parlato di fine del mondo, anche in relazione con le teorie “millenariste” che vorrebbero un periodo di 1000 anni di deserto e desolazione sulla Terra dopo il ritorno di Cristo. Diversi articoli di Barlett sono stati scritti in collaborazione con altri membri appartenenti anch’essi agli Avventisti, e anche loro convinti dell’imminente fine del mondo.

Anche in questo caso, ci troviamo a parlare di paura della fine del mondo, sia essa nel 2012 o in una qualsiasi altra data. Perche’ dovrebbe finire il mondo? A causa di cosa o di chi? Nuovamente si parla degli effetti senza citare pero’ la causa. Da dove nasce la convinzione del 2012? Veramente i Maya o altre fonti hanno indicato la data del 21 Dicembre? Scopriamo le risposte a queste domande non perdendo in libreria Psicosi 2012. Le risposte della scienza.

 

Effetti di un impatto con Nibiru

24 Ago

Di Nibiru abbiamo parlato in diversi articoli:

Nibiru e’ vicino?

Scontro Terra-Nibiru a Luglio

Misterioso oggetto vicino al Sole

Evidenze di un decimo Pianeta?

rimandando pero’ al libro Psicosi 2012. Le risposte della scienza i dettagli veri o presunti su questo decimo pianeta. Volevo tornare un secondo su questo argomento solo per rispondere a tutti quelli che in questi giorni mi stanno chiedendo se esistono luoghi sicuri per un eventuale impatto di Nibiru con la Terra. Come abbiamo visto, non esiste nessuna evidenza non solo di uno scontro, ma neanche dell’esistenza stessa del Pianeta X.

Nonostante questo, cerchiamo di ragionare per assurdo e di immaginare lo scenario di un impatto. In vari articoli abbiamo parlato dell’esistenza di diverse localita’ ritenute “sicure” per la fine del mondo del 2012:

La salvezza e’ vicina …. precisamente a Ceglie in Italia

Aspettare il 21 Dicembre sui Pirenei

Come discusso, le motivazioni stesse che renderebbero sicuri questi luoghi sono abbastanza flebili. Nel caso di un impatto con Nibiru, il discorso si fa poi molto piu’ complesso. Prima di tutto per capire se esistono luoghi sicuri, dobbiamo capire cosa ci si deve aspettare da un eventuale scontro con un pianeta. In altri articoli abbiamo discusso circa l’impatto con meteoriti provenienti dallo spazio:

Segni della fine del mondo: caduta di meteoriti

L’asteroide 2012 DA14

ma in questo caso il discorso e’ diverso dal momento che, seguendo le ipotesi catastrofiste che si leggono in rete, Nibiru sarebbe addirittura un pianeta.

Per capire gli effetti di questo scontro, possiamo utilizzare un sito molto ben fatto che ci consente di simulare gli effetti dello scontro tra la Terra ed un altro oggetto, modificando diversi parametri della collisione. Il link del sito in questione e’ il seguente:

Impact Earth

Aprendo la pagina, dovete ovviamente impostare i parametri del proiettile. Ragioniamo su tutte le informazioni che circolano in rete su Nibiru in modo da creare una simulazione reale. Sappiamo che Nibiru sarebbe un pianeta, quindi un corpo di grandi dimensioni. Per facilitare l’analisi, rimaniamo conservativi e supponiamo che abbia un diametro paragonabile a quello della nostra Luna, cioe’ 3470 Km. Per la densita’, trattandosi di un oggetto solido, possiamo supporre che sia composto di roccia, impostando un valore di 3000 Kg/m^3. Questo valore e’ circa 3 volte quello dell’acqua ed e’ abbastanza ragionevole considerando che un pianeta non giovane ha densita’ che arrivano anche a 5 volte quella dell’acqua. Per massimizzare gli effetti, impostiamo una collissione testa-testa utilizzando un angolo di 90 gradi. Per quanto riguarda la velocita’ del proiettile, consideriamo che nel nostro Sistema Solare il pianeta piu’ veloce e’ Mercurio che si muove a 48 Km/s, mentre il piu’ lento e’ Plutone con soli 5 Km/s. Per dare un valore medio, impostiamo un valore di 40 Km/s (la Terra viaggia ad una velocita’ di circa 30 Km/s). Resta da impostare il punto di collissione. Considerando che circa il 70% della superficie della Terra e’ coperta di acqua, impostiamo un impatto in acqua. Supponiamo, sempre per fare un esempio, che la collisione avvenga nel centro dell’Atlantico in cui la profondita’ media e’ di circa 4000 m.

A questo punto, dobbiamo solo decidere da dove vogliamo assistere allo “spettacolo”. Ovviamente se ci mettiamo sul punto di impatto non avremmo scampo. Volendo fare una simulazione realistica supponiamo di essere abbastanza lontani dal centro ed impostiamo una bella distanza di 5000 Km. Avendo immaginato lo scontro nell’Atlantico e’ equivalente a dire che siamo negli Stati Uniti o in Europa.

Una volta impostati tutti i parametri clicchiamo su “calculate impact” e vediamo cosa ci dice la simulazione:

Il risultato della simulazione con i parametri impostati

Come vedete anche dalla schermata riportata, la simulazione ci permette di vedere i risultati su diversi aspetti quali: energia, terremoto avvertito nel nostro punto, tusnami, flussi d’aria, caduta di detriti e radiazione termica.

Girando tra le voci, vi accorgete degli effetti disastrosi che un evento del genere potrebbe avere anche a distanza di 5000 Km. Soltanto il calore sprigionato provocherebbe ustioni di terzo grado sul corpo, il cratere dello scontro avrebbe un diametro di 16000 Km e dopo circa 26 minuti dall’impatto comincerebbero a pioverci in testa pesanti frammenti. Questo ovviamente sarebbe niente rispetto allo Tsunami che si formerebbe e al terremoto con una magnitudo mai avvertita prima sulla Terra (circa M15 della scala Richter).

Ora possiamo discutere sulla precisione infinitesima di questi risultati, ma a grandi linee mi sembra evidente che gli effetti sarebbero ovviamente disastrosi. Nell’eventualita’ di un impatto con Nibiru, avrebbe senso parlare di luoghi sicuri sulla Terra? Ovviamente stiamo pensando la stessa risposta. Per capire meglio, facciamo un’ulteriore simulazione. Lasciamo tutti i parametri invariati e supponiamo di essere alla massima distanza dal punto dell’impatto, cioe’ dall’altro capo della Terra. Considerando una circonferenza all’equatore di 40000 Km, la massima distanza a cui possiamo metterci e’ pari a 20000 Km. Rilanciamo la simulazione con questo nuovo dato.

Cosa otteniamo? Come potete vedere da soli, il risultato rimane praticamente invariato. Questo e’ ovviamente comprensibile se pensiamo al cratere con un diametro di 16000 Km.

Come vedete, se state pensando ad un luogo sicuro in cui mettervi in salvo da un eventuale scontro con Nibiru, mettetevi l’anima in pace. Fortunatamente, ripetiamo, non c’e’ nessuna evidenza dell’esistenza di un decimo pianeta nel nostro sistema solare e dunque di un suo impatto con la Terra in un prossimo futuro.

Diffidate sempre da chi vorrebbe farvi credere ad una teoria senza mostrarvi le basi su cui questa sarebbe fondata. Ragionando sulle questioni possiamo facilmente smascherare tutte le informazioni false che purtroppo circolano in rete su questi fenomeni. Per analizzare tutte le piu’ importanti profezie sul 2012 utilizzando metodo scientifico non perdete in libreria Psicosi 2012. Le risposte della scienza.