Fondamenti dell’elica degli aerei

Il 9 luglio 2020

Lo scopo dell’elica è di fornire un metodo di propulsione in modo che l’aereo sia in grado di muoversi in avanti attraverso l’aria. L’elica stessa consiste in due o più pale collegate tra loro da un mozzo centrale che attacca le pale all’albero del motore. Le pale dell’elica hanno la forma di un’ala di un aereo, usando la potenza di rotazione di un motore che ruota le pale dell’elica producono una portanza (questa portanza è chiamata spinta) che muove l’aereo in avanti.

Come funzionano le eliche

I fondamenti dietro al funzionamento delle eliche sono legati alle teorie fisiche del movimento sviluppate più di duecento anni fa da Sir Isaac Newton. Più specificamente la sua terza legge, che è per ogni azione, c’è una reazione uguale e contraria (Sir Isaac Newton, 1687).

Tenendo questa teoria in mente, l’elica di un aereo è usata per trasformare la potenza di rotazione di un motore in spinta in avanti. L’elica funziona spostando l’aria tirandola dietro di sé (l’azione), questo movimento d’aria ha come risultato che l’aereo viene spinto in avanti dalla differenza di pressione risultante (la reazione opposta). Più aria viene tirata dietro l’elica, più spinta o propulsione in avanti viene generata.

Le eliche possono essere costituite ovunque da una singola pala a sei o più pale in linea con le esigenze di efficienza dei diversi aerei. I requisiti delle prestazioni dell’aereo e la potenza del motore sono i principali fattori che determinano il numero di pale dell’elica. Con l’aumento della potenza del motore, sono necessarie delle pale supplementari per utilizzare in modo efficiente l’accresciuto livello di potenza. L’angolo delle pale di un’elica e la sua forma e dimensione generale (insieme alla potenza del motore) influenzano la quantità di spinta generata.

Teoria dell’elica – Forze che agiscono su un’elica

Le pale dell’elica sono costruite in modo simile a un’ala, come tali sono soggette ad alcune delle stesse forze aerodinamiche come resistenza e portanza (con le ali questa è portanza, con l’elica è chiamata spinta). La differenza è che un’elica ha le forze aggiuntive della velocità di rotazione e della quantità di moto in avanti.

• Forze centrifughe. La forza centrifuga è la forza sperimentata dalle pale dell’elica quando girano a velocità. Questa forza le tira effettivamente lontano dall’aereo.
• Torsione centrifuga e aerodinamica. Qualsiasi oggetto asimmetrico che gira genera una forza di torsione centrifuga, l’elica non è diversa con la forza della sua azione rotatoria che torce le pale ad un passo fine.
• Vibrazione. La vibrazione delle pale dell’elica è causata dal disturbo è l’aerodinamica dell’elica come passa attraverso l’aria, e vicino alle ali e la fusoliera così come le variazioni del motore.
• Torque Bending. Le forze di flessione di coppia sono la resistenza naturale dell’aria che produce resistenza contro le pale mentre girano e la conseguente propensione delle pale dell’elica a volersi piegare nella direzione opposta alla rotazione.
• Flessione di spinta. La forza dell’elica che spinge l’aria all’indietro è chiamata spinta, questa mette le pale dell’elica sotto pressione e le piega in avanti.

Design dell’elica dell’aereo

L’ingegneria di base che sta dietro al funzionamento delle pale dell’elica non è cambiata molto nel corso degli anni, tuttavia ci sono state una serie di modifiche significative nei materiali usati per costruire le eliche e modifiche al loro uso coerenti con i guadagni nella potenza del motore e nella tecnologia che ha portato a una maggiore efficienza.

• Lame di legno. Il legno era il materiale principale utilizzato per fare eliche per aerei prima della seconda guerra mondiale. Ora si vedono di solito solo in aerei per hobby o d’epoca, in linea con l’epoca del restauro. Il processo di costruzione dell’elica in legno consiste in diversi strati (5-9) di legno incollati insieme per renderla più forte, più resiliente e meno probabile alla deformazione. I tipi comuni di legno usati sono betulla gialla, ciliegio nero, acero da zucchero e noce nero
• Lame in lega di alluminio. L’introduzione di motori aerei più potenti ha reso l’uso delle eliche di legno quasi obsoleto negli aerei più grandi. Le pale in lega di alluminio sono più forti, più leggere e più facili da riparare, oltre ad avere velocità di rotazione più elevate che le rendono una scelta più popolare.
• Lame composite. Le pale delle eliche composite sono fatte di fibra di carbonio, queste pale offrono un peso ridotto, meno rumore e meno vibrazioni, e sono più durevoli e più facili da riparare rispetto ad altri tipi di eliche.

Tipi di eliche per aerei

Ci sono tre tipi di base di un’elica per aerei, ognuno con le sue variazioni – l’elica a passo fisso, l’elica a velocità costante o l’elica regolabile a terra.

• Elica a passo fisso. Queste eliche sono fatte con l’angolo (passo) incorporato nell’elica, non può essere cambiato. Sono progettate per un funzionamento ottimale in condizioni ottimali, il che significa che le prestazioni dell’aereo saranno influenzate in condizioni variabili. Le eliche a passo fisso sono spesso viste su aerei monomotore che volano a basse velocità, con portata limitata o altitudine.
• Eliche a velocità costante. A volte chiamate eliche a passo controllabile, queste eliche sono progettate con un passo variabile (angolo) che può essere modificato in volo mentre l’elica sta ruotando. Questo significa che l’elica può essere regolata durante il volo per adattarsi meglio alle condizioni che cambiano.
• Eliche regolabili a terra. Come suggerisce il nome, queste eliche possono essere regolate solo a terra, quando l’elica non è in uso. L’angolo o il passo della pala viene modificato manualmente, queste eliche non si vedono spesso negli aerei moderni di oggi.

Fondamenti dell’elica

Mentre ci sono stati molti cambiamenti nel design dell’elica nell’ultimo secolo, i fondamenti di questa parte relativamente semplice di un aereo rimangono in gran parte invariati. Ecco i termini di base associati al funzionamento delle eliche degli aerei.

• Linea della corda. La linea di corda di un’elica è una linea immaginaria tracciata attraverso il centro della pala dal suo bordo di entrata (al mozzo) al suo bordo di uscita (punta).
• Passo. Le pale di un’elica non sono diritte, hanno un angolo simile a quello di una vite. Il passo è effettivamente una misura di quanto l’elica si sposterebbe in avanti in una rivoluzione. Il passo è usato per controllare la velocità dell’aria che esce dalla parte posteriore dell’elica. Il passo della pala di un’elica cambia man mano che ci si sposta lungo la sua superficie da un’estremità all’altra. È più ripido o più corto al mozzo centrale e più superficiale all’estremità esterna. Il passo si calcola con la formula: passo = 2,36 diametro altezza/larghezza.
• Angolo della pala. Questo è l’angolo tra la linea della corda e il piano di rotazione ed è misurato (in gradi) in un punto specifico lungo la lunghezza della pala. Mentre i termini passo e angolo sono spesso usati in modo intercambiabile, il passo non è tecnicamente l’angolo della pala dell’elica. Tuttavia il passo è in gran parte determinato dall’angolo della pala, i due termini sono spesso usati in modo intercambiabile. Un aumento o una diminuzione di uno è solitamente associato a un aumento o una diminuzione dell’altro.
• Angolo di attacco. Questo è definito come l’angolo al quale l’aria colpisce la pala dell’elica. In termini semplici, l’angolo d’attacco può essere descritto come la differenza tra il punto in cui un’ala punta e quello in cui sta andando. Aumentando l’angolo d’attacco si ottiene un aumento sia della portanza che della resistenza indotta, fino al punto di stallo. La torsione della pala di un’elica è usata per mantenere un angolo di attacco più costante lungo la lunghezza della pala per contrastare le differenze di velocità della pala al mozzo e alla punta dell’elica.

Per ulteriori informazioni sulle forze aerodinamiche durante il volo, imparare a volare in Nuova Zelanda, gli effetti del vento su un aereo o molti altri argomenti relativi al volo, vedere il blog Southern Wings.