TIPS GUIDE

1. The European Commission support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents which reflects the
views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.
Teaching Innovative Practices in STEM (TIPS)
2015-1-ES01-KA219-015719_1
Teaching Innovative Practices in STEM
TIPS – Fisica
1. Abstract
La presente guida TIPS si concentra
sull’osservazione sperimentale di alcuni fenomeni
chiave che sono alla base degli sviluppi tecnologici
raggiunti dalla moderna aeronautica.
Il tema del volo, della sua storia e delle tappe
verso la sua realizzazione si presta ad un
approccio interdisciplinare che coinvolge le
scienze anche da un punto di vista storico e
culturale e affonda le sue radici nell’opera di
Leonardo da Vinci.
Allo scopo di far avvicinare gli studenti al tema e
far intuire loro i principi che sottostanno al volo in
tutte le sue forme – da quello degli uccelli a quello
meccanico di oggi - si propongono alcune
semplici attività di carattere laboratoriale che
possono costituire lo spunto per un
approfondimento teorico basato sui principi di
Bernoulli.
2. Materiali e metodi
Attività N. 1:
- l’involucro di una penna biro (o una
cannuccia)
- filo da cucire
- nastro adesivo
- un bicchiere cilindrico (o una bottiglia,
una lattina, ecc)
Attività N. 2
- fogli di carta A4
Attivita’ N. 3
- foglio di carta A4 con disegno dell'aereo di
carta da ritagliare
1) Effetto Coandă - visualizzare un flusso d'aria
Cosa serve
- l’involucro di una penna biro (o una cannuccia)
- filo da cucire
- nastro adesivo
- un bicchiere cilindrico (o una bottiglia, una
lattina, ecc…)
Cosa fare
- inserire il filo nell’involucro della penna (si può
risucchiarlo, senza mandarlo giù!)
-attaccare il filo all’esterno dell’involucro con un
pezzetto di nastro adesivo
-quando soffiamo, il filo sottolinea il getto d’aria
che esce e si dispone orizzontalmente.
Cosa notare
- quando il getto d’aria incontra una superficie
curva, per esempio quella di un bicchiere o di una
bottiglia, la segue. E così il getto d’aria curva verso
il basso quando avviciniamo il bicchiere dal basso,
e curva verso l’alto quando avviciniamo il
bicchiere dall’alto.
2) Semplici esperimenti per studiare il Principio di
Bernoulli
a) Tenere due pezzi di carta sottile verticalmente
a breve distanza l'una dall'altra e soffiare giù nello
spazio tra di loro.
Si noterà che I due fogli si avvicinano.
b) Tenere una estremità di un piccolo foglio di
carta con entrambe le mani. Mantenere il bordo
orizzontale e soffiare costantemente sopra la
parte superiore di questo bordo orizzontale e si
osserverà che questo si solleva, poiché la
pressione dell’aria sulla superficie superiore è
minore di quella sulla superficie inferiore.
3) Lo studio del principio di Bernoulli con
l'aeroplano di carta
(http://weirdsciencekids.com/paperairplane.html)
Costruire uno speciale aeroplano di carta per
dimostrare come e perché gli aerei e la maggior
parte degli uccelli possono volare (senza l'utilizzo
del motore o delle ali).

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Fig. 1
Istruzioni
1) Tagliare la forma dell'aereo lungo la linea
continua scura. Quindi, piegare la parte superiore
sulla linea tratteggiata in modo che combaci la
metà inferiore. Piegare in modo che le due
estremità creino una goccia.
2) Mettere un piccolo pezzo di nastro adesivo alle
estremità delle ali e al centro nei punti segnati A,
B e C.
Ora piegare il piano lungo la piega centrale in
modo da creare una 'V' appiattita. L'angolo della
'V' dovrebbe essere non più di circa 15 gradi.
Conduzione dell'esperimento
Fare librare l'aereo e regolare la sua stabilità. Per
evitare che il muso dell'aereo cabri verso lo stallo
aggiungere un piccolo peso vicino alla punta
(punto D), una graffetta o due ad esempio. È
inoltre possibile regolare il movimento
dell'aeroplano sul suo asse laterale e/o
longitudinale, tagliando piccole fessure nella coda
dell'aereo e/o sulle ali, piegando la carta nei ritagli
su o giù, come se fossero un timone di profondità
o degli alettoni.
Spiegazione
La legge di Bernoulli permette di spiegare come fa
l'aria a sorreggere gli aeroplani.
Il fenomeno si chiama portanza delle ali ed è
legato all'effetto Venturi, che prende il nome dal
fisico italiano Giovanni Battista Venturi, vissuto fra
‘700 e ‘800.
Quando la velocità di un fluido aumenta, la sua
pressione diminuisce e viceversa.
Gli aerei sono perciò progettati in modo che l'aria
si muova più velocemente sopra le ali, generando
una differenza di pressione capace di sostenere i
velivoli.
Dato un profilo alare, curvando la parte superiore
del profilo, l'aria che si muoverà sopra il profilo
dovrà coprire una distanza maggiore rispetto
all'aria sottostante, costringendo l'aria a
muoversi più velocemente.
Il risultato è: minore pressione sulla parte
superiore e più pressione sulla parte inferiore
(portanza).
La pressione dell'aria sotto l'ala spinge dal basso
verso l’alto l'ala.
FORMULE
LEGGE DI BERNOULLI
L’equazione di Bernoulli rispetto all’area dei fogli
di carta diventa:
Pi +
1
2
d ui
2
= ps +
1
2
d us
2
dove:
- pi è uguale alla pressione dell’aria sulla
faccia inferiore del foglio
- d è la densità del fluido
- ui è la velocità dell’aria sulla faccia
inferiore
- ps è la pressione dell’aria sulla faccia
superiore
- us è la velocità dell’aria sulla faccia
superiore
Sagoma dell'aereo da ritagliare
Ripiegare questa estremità
verso A – B - C
Visione posteriore
Visione laterale

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Se A è l’area del foglio, la forza impressa sulla
faccia del foglio equivale a:
F= A · ( pi – ps )
Poiché la velocità dell’aria sulla faccia superiore
del foglio è maggiore della velocità sulla faccia
inferiore, la pressione dell’aria sopra il foglio è il
minore di quella sotto il foglio.
La differenza di pressione dà origine ad una forza
diretta verso l’alto che solleva il foglio.
Un esempio analogo è quello dell’ala di un aereo.
La forma dell’ala è progettata in modo che
quando il velivolo è in volo l’aria si muova più
velocemente sulla superficie superiore che non su
quella inferiore. Come per il foglio di carta, si crea
una differenza di pressione e quindi una forza
risultante verticale che spinge l’ala verso l’alto.
EFFETTO COANDĂ
L'effetto Coandă è la tendenza di un getto di un
fluido a seguire il contorno di una superficie
vicina. Il fenomeno deve il suo nome al pioniere
dell'aerodinamica romeno Henri Coandă, il quale
brevettò nel 1936 prima in Francia e poi negli Stati
Uniti alcuni strumenti che sfruttavano la proprietà
di deviare un getto.
Il fluido, muovendosi lungo la superficie provoca
attrito, che tende a farlo rallentare. La resistenza
al movimento del fluido viene applicata però solo
alle particelle di fluido immediatamente a
contatto con la superficie. Le particelle di fluido
esterne, a causa delle interazioni molecolari che
tendono a tenerle unite a quelle interne,
cambieranno direzione dunque verso di esse a
causa della differenza di velocità, facendo quindi
aderire il fluido alla superficie stessa.
Esempio del cucchiaio:
Avvicinando sufficientemente un cucchiaio da
cucina ad un getto d'acqua, il getto verrà deviato
verso la superficie del cucchiaio: infatti se una
corrente d'acqua scorre lungo una superficie
solida che è leggermente curva (convessa), l'acqua
tende a seguire tale superficie. Tenendo il
cucchiaio in modo tale che possa oscillare, lo si
può sentire chiaramente attratto verso il getto.
Lo stesso esempio è enunciato nell’attività 1.
EFFETTO VENTURI
Fig. 3
L'effetto Venturi (o paradosso idrodinamico) è il
fenomeno fisico, scoperto e studiato dal
fisico Giovanni Battista Venturi, per cui la
pressione di una corrente fluida compresa l’aria
aumenta con il diminuire della velocità.
Fig. 2
La figura mostra l’esperimento del
cucchiaio. Se si fa scorrere un filo di
acqua lungo la parte convessa del
cucchiaio si osserva che l’acqua
non scende verticalmente ma
aderisce alla parete del cucchiaio
La figura 3 mostra l’esperimento sull’effetto
Venturi. Si prenda un tubo di vetro orizzontale che
si stringe cioè presenta due diametri diversi a cui è
collegato un tubo capillare a U in cui si inserisce
del liquido (acqua). Se nel tubo orizzontale si fa
scorrere aria dalla parte più larga verso la parte più
stretta si osserva che la velocità dell’aria nella
parte più stretta aumenta, ma
contemporaneamente nel tubicino il livello
dell'acqua sale, cioè diminuisce la pressione
dell’aria.

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Dalla figura si osserva che aumentando la velocità
dell’aria da destra verso sinistra la pressione nel
tubicino a destra è maggiore che nel tubicino di
sinistra.
Lo stesso effetto si può osservare in un tubo in cui
la parte centrale è più stretta.
Questo esperimento conferma la legge di
Bernoulli
p+1/2 d v2
= costante
con d densità, p pressione e v velocità del flusso.
Si può notare, quindi, che all'aumentare della ve-
locità del fluido si crea necessariamente una di-
minuzione della pressione interna al fluido stesso.
L'effetto Venturi viene anche chiamato
paradosso idrodinamico poiché si può pensare
che la pressione aumenti in corrispondenza delle
strozzature; tuttavia, per la legge della portata, in
corrispondenza delle strozzature è la velocità ad
aumentare. Quindi, considerando un tubo che
finisce contro una piastra come in figura 5,
il fluido ha una pressione leggermente superiore
alla pressione atmosferica, l'aumento di velocità
che la strozzatura crea tra tubo e piastra farà au-
mentare la velocità a scapito della pressione del
fluido. Se la pressione scende al di sotto della
pressione atmosferica, la piastra tenderà a chiu-
dere il tubo anziché volare via. Da questo nasce il
paradosso idrodinamico che è una conseguenza
della legge di Bernoulli.
3. Risultati
Le tre attività e le tre leggi enunciate sopra sono I
fondamenti della teoria del volo.
Gli aerei sia a motore che non, per potersi stacca-
re da terra utilizzano le conseguenze fisiche della
legge di Bernoulli, dell’effetto Coandă e Venturi.
Fig. 4
La figura 4 mostra lo stesso esperimento della
figura 3.
La velocità del fluido nella parte ristretta è più
alta (posizione 2) e come si evince dal tubicino
superiore, la pressione è più bassa rispetto al
tubicino che si trova sopra alla parte più larga.
A1 è la sezione del tubo maggiore e A2 è la
sezione del tubo più stretta.
h è l’altezza del livello dell’acqua e Δh è la
differenza delle altezze cioè la differenza di
pressione.
Fig. 5
La figura indica che se alla fine di un tubo c’e una
piastra, essa non verrà scagliata via dall’aria che scorre
lungo il tubo verticale, ma se la pressione dell’aria è
leggermente inferiore a quella atmosferica la piastra
schiaccerà il tubo ermeticamente.

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Alcuni studi mirano a utilizzare l'effetto Coandă
per sviluppare aeromobili con profili particolari
con Il vantaggio di una migliore manovrabilità e
capacità di volteggiare in aria.
È stato utilizzato per alcuni anni in Formula 1 fino
al 2013, attraverso forme di carrozzeria particolari
in grado di indirizzare il flusso di aria rovente pro-
veniente dagli scarichi ai lati del profilo estrattore
posteriore, creando una sorta di 'sigillo' aerodi-
namico utile ad aumentare l'efficienza dell'estrat-
tore stesso e quindi il carico aerodinamico.
L’imponente studio dell’ingegneria aeronautica
sta nella forma e nella ampiezza dell’ala in manie-
ra da permettere l’applicazione di tali effetti e
leggi.
Queste semplici attività hanno voluto portare gli
studenti alla conoscenza delle principali leggi
fisiche che guidano lo studio delle tre principali
forze che tengono un aereo in aria: la portanza, la
resistenza e la aerodinamicità.
Fig.8
La figura mostra come l’aria si comporta quando investe
oggetti di forme diverse.
AERODINAMICITA’ E RESISTENZA
4. Riferimenti
www.google.com/immagini
www.It.m.wikipedia.org
http://www.machaurora.it/teoria/
http://weirdsciencekids.com/paperairplane.html
www.reinventore.it
Fig. 6
La modifica del profilo alare permette la salita o la
discesa dell’aereo.
Fig. 9
La figura mostra le 4 forze che intervengono
durante il volo di un aereo.
Fig. 7
La figura indica il concetto di portanza