Atmosfera e Aerodinamica: Fondamenti Fisici per il Volo

Cos'è l'atmosfera e come è composta?

L'atmosfera è l'involucro di gas che avvolge la Terra e ruota insieme a essa. Più si sale in quota, più l'aria diventa rarefatta (meno densa) a causa della gravità. Per il volo, l'atmosfera si divide principalmente in due fasce in base alla sua composizione chimica:

• Bassa Atmosfera (fino a 100 km): È la zona dove volano tutti gli aerei. La composizione dell'aria è costante: 78% Azoto (N₂), 21% Ossigeno (O₂), 0,94% Argon (Ar) e tracce minime di anidride carbonica (CO₂). Nei primi 10 km sono presenti anche vapore acqueo e pulviscolo atmosferico, variabili in base alle condizioni.
• Alta Atmosfera (da 100 km a circa 2500-3000 km): In questa fascia non vi sono venti a mescolare i gas, che si stratificano in base al peso molecolare. Salendo si incontra ossigeno monoatomico, elio e infine idrogeno, fino alla dispersione nello spazio.

Le Grandezze Fisiche dell'Aria

L'aria presenta quattro caratteristiche fisiche fondamentali per il volo:

• Pressione: È la forza esercitata dalle particelle d'aria sulle superfici. Si misura in Pascal (Pa), ma in ambito aeronautico si utilizzano gli Ettopascal (hPa) o le Atmosfere (atm). Al livello del mare, la pressione standard è di 1013 hPa. La pressione diminuisce con la quota in modo esponenziale.
• Densità: Rappresenta la massa d'aria in un determinato volume (kg/m³). È cruciale poiché genera la portanza. La densità è proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura. Il valore standard al livello del mare è 1,225 kg/m³.
• Temperatura: Varia in base alla quota e agli strati termici. Si distinguono due zone principali:

Strati Atmosferici

• Troposfera (dal suolo a ~11 km): Sede dei fenomeni meteorologici. La temperatura parte da una media di 15°C al suolo e diminuisce di 6,5°C ogni chilometro (Gradiente Termico Verticale) fino a raggiungere −56°C alla tropopausa.
• Stratosfera (da 11 a 50 km): Caratterizzata da aria calma e assenza di perturbazioni. Qui la temperatura aumenta con la quota a causa della fascia di ozono, che assorbe i raggi ultravioletti.

Umidità: Indica la quantità di vapore acqueo presente. Quando l'aria raggiunge il limite massimo di vapore, si definisce satura (Umidità Relativa al 100%).

I Moti dell'Aria

Moti Verticali

Sono causati dalla differenza di densità. L'aria calda, meno densa, sale rapidamente subendo una trasformazione adiabatica. Se l'aria è secca, perde 1°C ogni 100m (Gradiente Adiatico Secco). Il rapporto tra questo raffreddamento e quello dell'atmosfera circostante determina l'equilibrio (stabile o instabile).

Moti Orizzontali (Il Vento)

Generato da differenze di pressione. Per un pilota sono fondamentali tre velocità:

• TAS (True Air Speed): Velocità reale dell'aereo rispetto all'aria.
• GS (Ground Speed): Velocità dell'aereo rispetto al suolo.
• WV (Wind Velocity): Velocità del vento.

La formula di riferimento è: TAS = GS - WV. Il vento frontale aumenta la TAS (migliorando la portanza), mentre il vento in coda riduce la sicurezza in fase di atterraggio.

Come si misura la velocità: Il Tubo di Pitot

Il Tubo di Pitot misura la Pressione Dinamica (Q) per calcolare la velocità (v) tramite la formula v = √(2Q/ρ). Il sistema rileva due pressioni:

• Pressione Totale (p_TOT): Rilevata dal foro frontale.
• Pressione Statica (p): Rilevata dai fori laterali.

La velocità indicata dallo strumento è la IAS (Indicated Air Speed). Per ottenere la TAS, il computer di bordo corregge la lettura tramite tre passaggi:

1. CAS (Calibrated): Correzione dell'errore di posizionamento/assetto.
2. EAS (Equivalent): Correzione dell'errore di compressibilità dell'aria.
3. TAS (True): Correzione dell'errore di quota e variazione di densità.