Struttura

STUDIO DEI PRINCIPALI CARICHI AGENTI SULLA STRUTTURA ALARE DEL MESSERSCHMITT BF 109 G

L'ala e la sua funzione:

Dalle principali leggi della fisica si ricava che tra due masse, poste ad una certa distanza tra loro, si genera una forza di attrazione dipendente dall'entità delle masse stesse e dalla distanza che tra esse si interpone. In particolare, questa forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le due masse, così che, più sono distanti e più l'attrazione che si sviluppa è debole.

Supponendo come prima massa il pianeta Terra, e come seconda un qualsiasi corpo posto, per semplicità, sulla sua superficie, tra questi due corpi si genera una forza, comunemente chiamata peso, la quale è data dal prodotto tra la massa del corpo preso in considerazione e l'accelerazione gravitazionale "g", il cui valore è di circa 9.81 m/s2.

Detto questo, è facile comprendere che un qualsiasi aeromobile, per sollevarsi dal terreno e cominciare il suo volo, ha bisogno di sviluppare una forza che si opponga al suo peso, in modo da creare un'accelerazione verticale che gli permetta di guadagnare quota o, comunque, che sia pari al peso stesso nel caso in cui il velivolo si porti nelle condizioni di volo orizzontale (e quindi in assenza di accelerazioni verticali).

Per i dirigibili, le mongolfiere ed altri velivoli detti "più leggeri dell'aria", questa forza viene fornita dalla spinta di Archimede generatasi dalla differenza di densità e, quindi, di peso specifico esistente tra il gas contenuto all'interno del velivolo e l'aria che lo circonda.

Per i "più pesanti dell'aria" invece, cioè per tutti gli aerei ed elicotteri, questa forza si genera a causa di una differenza di pressione generata dal moto relativo delle particelle d'aria attorno al profilo delle ali (nel caso di aerei) o delle pale dei rotori (nel caso di elicotteri).

Considerando una sezione trasversale di un'ala o di una pala, si noterà che questa assume una forma particolare e ricorrente, detta profilo aerodinamico, creato appositamente per sfruttare le differenze di pressione che vengono a crearsi tra la parte superiore del profilo (dorso) e la parte inferiore (ventre) durante un moto relativo. Se un profilo viene immerso in un fluido in movimento (il fluido in questione è l'aria), si noterà che, data la forma dello stesso, per raggiungere contemporaneamente il bordo d'uscita due particelle che si muovono una sul dorso ed una sul ventre viaggiano a velocità diverse, in quanto la particella sul dorso deve compiere un percorso più lungo. Questa differenza di velocità porta, per il teorema di Bernoulli, ad una differenza di pressione nelle due parti del profilo: sul ventre, le particelle d'aria saranno costrette a rallentare il loro moto a causa dell'attrito con la superficie, portando così ad un aumento di pressione in questa zona; sul dorso, invece, l'aumento di velocità che le particelle d'aria subiscono (causato dal principio di continuità) porta ad una diminuzione di pressione. La somma della depressione dorsale e della sovrapressione ventrale, causa la formazione di quella che viene denominata forza aerodinamica "F", la quale è solitamente scomposta nelle sue due componenti: la portanza[1] "P", normale alla direzione del moto del fluido ed opposta alla forza peso e la resistenza aerodinamica[2] "R", tangenziale al moto del fluido.

Figura 3. L'ala: copertura e profili

E' facile capire, quindi, come l'ala di un aereo o la pala di un elicottero possano essere formate da una serie di profili posti uno vicino all'altro e racchiusi da una copertura, la quale, poggiando su questi, assume la loro forma. In altre parole, semplificando concettualmente il problema, è possibile considerare l'ala come formata da un unico profilo dotato di uno spessore pari all'apertura alare.

Struttura dell'ala

I principi fondamentali che regolano la costruzione delle strutture resistenti utilizzate nel settore aeronautico hanno subito una rapidissima evoluzione nel corso di quest’ultimo secolo, ed in particolare nei suoi primi quarant'anni: da una struttura detta ad "elementi concentrati", nella quale gli elementi resistenti erano costituiti da una serie di puntoni e tiranti e la forma del profilo era data da uno strato di tela sul quale, data la bassa resistenza di questo materiale, non potevano gravare sforzi elevati, si è passati a strutture come quelle a "guscio" o ad "anima sottile". In particolare, data la natura dell'aereo considerato per questa trattazione, la filosofia costruttiva della struttura ad anima sottile riveste una notevole rilevanza per i calcoli che verranno presentati.

Il Bf 109, infatti, utilizzava un ala interamente metallica (molto innovativa per l'epoca) dotata di struttura ad anima sottile; ciò sta a significare che i carichi agenti sull'ala vengono sopportati sia dai longheroni, cioè delle particolari travi inserite longitudinalmente nell'ala, sia dal rivestimento, il quale, essendo metallico, è in grado di resistere molto più della tela.

Le strutture ad anima sottile prevedono comunque l'utilizzo di ulteriori componenti oltre a quelli precedentemente illustrati: all'interno dell'ala sono poste delle centine, il cui compito è quello di fornire un solido appoggio strutturale sul quale fissare il rivestimento metallico e, quindi, di fornire e mantenere la forma del profilo aerodinamico.Parallelamente al longherone sono disposti dei correnti, sui quali vengono connesse le superfici di controllo (alettoni) od altre superfici mobili (generalmente sistemi si ipersostentazione come flap e slat, oppure superfici atte ad aumentare la resistenza aerodinamica come gli spoilers).

Come è possibile notare dagli schemi presentati, l'ala del Bf 109 comprendeva l'utilizzo di un solo longherone (ala monolongherone), posto al 40% della corda di ogni profilo; oltre a questo sono state inserite nella struttura resistente tredici centine e diversi correnti.

[1] Data la larga diffusione dei termini anglosassoni nel campo aeronautico si riporteranno le traduzioni di alcune parole chiave, basilari per la comprensione di un qualsiasi testo di inglese tecnico aeronautico. La traduzione di "portanza" è "lift"; il simbolo di questa forza è la "L" ed il coefficiente di portanza viene generalmente indicato con "C_L"

[2] In inglese “drag”, indicata con “D” e con relativo coefficiente di resistenza “C_D”.