Università Ca' Foscari -Venezia _____________________________ IX° CICLO SSIS – A.A. 2008-2009 INDIRIZZO TECNOLOGICO ABILITAZIONE A001- AEROTECNICA E COSTRUZIONI AERONAUTICHE L’ALA FINITA Relatore Prof. Francesco IACCARINO Specializzando CIOTOLA ing. Ciro SVT Prof. Giovanni PANOZZO 1 INDICE INTRODUZIONE - RIFLESSIONI CRITICHE SULL’ATTIVITÀ DI TIROCINIO .................................. 3 1. 2. 3. 4. L’ATTIVITÀ DI TIROCINIO..................................................................................................................3 TIROCINIO INDIRETTO CON I SUPERVISORI – I ANNO................................................................4 TIROCINIO INDIRETTO OSSERVATIVO – I ANNO ..........................................................................5 TIROCINIO DIRETTO – II ANNO ........................................................................................................7 PROGETTAZIONE DI UNA UNITA’ DIDATTICA.......................................................................................... 9 1. INTRODUZIONE ALL’U.A. E CONTESTO SCOLASTICO.................................................................9 2. FINALITA’ ..................................................................................................................................................16 3. ARTICOLAZIONE TEMPORALE ............................................................................................................16 4. PREREQUISITI...........................................................................................................................................17 5. CONTENUTI...............................................................................................................................................17 6. OBIETTIVI DIDATTICI .............................................................................................................................17 7. METODOLOGIE...................................................................................................................................18 8. SUSSIDI E STRUMENTI DIDATTICI .................................................................................................18 9. VERIFICHE...........................................................................................................................................19 10. CRITERI DI VALUTAZIONE ...............................................................................................................19 11. INTERVENTI DI RECUPERO..................................................................................................................20 SVILUPPO DEI CONTENUTI DELL’UNITA’ DIDATTICA ........................................................................ 21 1. TEORIA DI PRANDTL – LA RESISTENZA INDOTTA.....................................................................................21 2. L’ALA ELLITTICA.....................................................................................................................................29 3. L’ALA RETTANGOLARE (NON SVERGOLATA)– UTILIZZO DEL REPORT NACA TN 572.....................35 4. TESTI DELLE VERIFICHE SOMMATIVE ...............................................................................................40 5. GRIGLIA DI VALUTAZIONE ....................................................................................................................42 6. CONCLUSIONI..........................................................................................................................................43 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................................44 2 INTRODUZIONE - Riflessioni critiche sull’attività di tirocinio 1. L’ATTIVITÀ DI TIROCINIO Durante il biennio della Scuola di Specializzazione per la Formazione degli Insegnanti di Scuola Secondaria si è svolta un’attività di tirocinio per un totale di 300 ore e che ha costituito: Un periodo di formazione; Un momento di alternanza – lavoro; Un avvio alla responsabilità professionale. I principali obiettivi perseguiti lungo questo percorso sono stati: Acquisizione della consapevolezza del ruolo e della funzione docente nell’ambito dell’autonomia scolastica e della libertà di insegnamento; Capacità di lettura e interazione professionale del e con il territorio; Capacità di lettura e di interpretazione critica , ai fini progettuali, della documentazione in entrata (leggi, decreti, circolari,…); Capacità di strutturare e documentare le esperienze e le conoscenze su supporto informatico; Acquisizione di padronanze nel relazionarsi, comunicare e mediare; Capacità di progettare interventi formativi. Durante il primo anno di specializzazione si è svolta un'attività di tirocinio della durata complessiva di 90 ore articolate nel seguente modo: 30 ore di Tirocinio Indiretto con i Supervisori, consistente nella preparazione dei tirocinanti alla realtà scolastica attuale e nella sensibilizzazione all'attività di tirocinio; 60 ore di Tirocinio Indiretto Osservativo, orientate alla ricerca, all'analisi e alla produzione di strumenti di osservazione e di interpretazione dell'azione didattica. Durante il secondo anno di specializzazione si è svolta un’attività di Tirocinio Diretto della durata complessiva di 210 ore finalizzate all’analisi, allo studio e all’esercizio delle pratiche professionali dentro e fuori della classe. 3 2. TIROCINIO INDIRETTO CON I SUPERVISORI – I ANNO Per svolgere il Tirocinio Indiretto con i SVT (E. Tarzariol, E. Zogli), sono stati organizzati sei incontri, organizzati con le seguenti modalità: − Presentazione dell'attività; − Relazione curata da uno o più SVT; − Lavoro di gruppo degli specializzandi con la supervisione di un SVT; − Esposizione in sintesi dei risultati dei lavori dei singoli gruppi. Nei vari incontri si sono trattati i seguenti argomenti: Durante il primo incontro (15/11/2007) con i supervisori di tirocinio sono state illustrate le fasi di questo primo anno di tirocinio. In particolare è stato illustrato il calendario degli incontri con i SVT e le attività di tirocinio indiretto osservativo da svolgere presso le scuole. E’ stato spiegato anche la certificazione delle ore, la frequenza e l’utilizzo del libretto rosa. Inoltre è stato illustrato l’utilizzo della piattaforma BSCW per le attività on line (pubblicazione attività individuali o di gruppo, forum, disponibilità materiale fornito dai SVT). Nel secondo incontro (14/12/2007) sono stati trattati due argomenti importanti, la verifica e la valutazione. Di tali argomenti si è messo in luce la loro funzione e correlazione, presentandoli quindi come momenti inseparabili di un unico processo di analisi che porta al giudizio di sintesi di promozione o non promozione. La “verifica” quindi associata al concetto di misurazione mentre la “valutazione” come un giudizio sulla prestazione dell'allievo. Nel terzo incontro (08/02/2008) sono stati trattati gli argomenti inerenti l'autonomia scolastica, le normative in merito all'attività di docente con i relativi diritti e doveri e la funzione docente. A tal riguardo si è fatto riferimento all'art. 26 comma 1°, all’art. 27 comma 1°, e all’art. 29 comma 1° del CCNL comparto scuola 2006-2009. Per quanto concerne la libertà di insegnamento, si è fatto riferimento al D.lgs 297/94 all'art. 1, che dice che ai docenti è garantita la libertà di insegnamento intesa come autonomia didattica e come libera espressione culturale del docente. Nel quarto incontro (07/03/2008) i supervisori di tirocinio hanno illustrato approfonditamente le direttive inerenti le nuove regole dell’esame di stato a partire dal 2009, confrontandole con quelle attualmente in vigore. In particolare si è sottolineato il concetto di 4 superamento dei debiti scolastici per i maturandi, nonché la differente ripartizione tra i punteggi attribuibili alle prove di esame e di quelli derivanti dal credito scolastico. Nel quinto incontro (11/04/2008) è stato spiegato il convegno di matematica computazionale che si sarebbe svolto al lido di Venezia dal 30 maggio al 5 giugno. In particolare oltre al tema dello stesso, si sono discussi gli aspetti organizzativi di un convegno, dalla scelta del luogo alla sua pubblicizzazione. 3. TIROCINIO INDIRETTO OSSERVATIVO – I ANNO Questo primo ingresso nella scuola (senza il contatto diretto con gli allievi), aveva i seguenti obiettivi: 1. un'attività di ricerca presso gli istituti scolastici, per individuare documenti, circolari, normative scolastiche, progetti scolastici (didattici e/o organizzativi), regolamenti di Istituto, regolamenti di laboratori, strumenti per la didattica,...; tutto questo è stato effettuato in modo personale ed autonomo, con l'aiuto del personale della scuola (collaboratori del dirigente, docenti referenti di progetto, responsabili di disciplina,..), nominato di volta in volta dal dirigente scolastico; 2. un'attività di analisi, studio, valutazione ed elaborazione di quanto raccolto nella precedente attività di ricerca, che si è concretizzata nella partecipazione alla classe virtuale e nella produzione/pubblicazione di schede o relazioni di ricerca. Durante questo tirocinio osservativo si sono svolte le seguenti quattro attività : z prima attività (dicembre/gennaio – 8 ore) : durante questa attività il sottoscritto, si è recato presso l’ITIS “A. Malignani” di Udine, dove è impartita la disciplina Aerotecnica e Costruzioni Aeronautiche (Classe di concorso A001), per ricevere dai docenti della disciplina, delle opinioni a riguardo della formulazione dei Test d’ingresso. Dal prof. Taliercio Vincenzo mi sono stati spiegati i criteri impiegati per la realizzazione e per la correzione degli stessi. In particolare, tali colloqui hanno poi consentito ai docenti interessati, di riflettere sulla collocazione temporale di alcune Unità Didattiche svolte nel programma di terza della stessa materia, i cui apprendimenti sono propedeutici per le Unità Didattiche affrontate nel I° quadrimestre della classe quarta. Tale attività è stata pubblicata sulla piattaforma on-line del tirocinio. z seconda attività (3-10 marzo – 6 ore): durante questa attività, il sottoscritto ha svolto 5 alcune interviste rivolte ai docenti della disciplina Aerotecnica e Costruzioni Aeronautiche (Classe di concorso A001), in servizio presso l’ITIS “A. Malignani” di Udine. L'intervista aveva come oggetto la programmazione annuale ed il programma ministeriale inerente alla disciplina in oggetto. Durante lo svolgimento di dette interviste, che sono state svolte sotto forma di colloqui individuali, si è utilizzato una griglia di domande precedentemente realizzata. Successivamente a tali interviste il sottoscritto ha svolto un lavoro di comparazione delle risposte date dai diversi docenti ottenendo utili informazioni sulle strategie utilizzate nella programmazione annuale della materia. Anche tale attività è stata pubblicata sulla piattaforma on-line del tirocinio. z terza attività (11-12 aprile - 6 ore): durante questa attività il sottoscritto ha svolto alcune interviste rivolte ai docenti della disciplina Aerotecnica e Costruzioni Aeronautiche (Classe di concorso A001), in servizio presso l’ITIS “A. Malignani” di Udine. L'intervista aveva come oggetto la seconda prova di esame della materia aerotecnica ed impianti di bordo. A tal riguardo il prof. Quitadamo, responsabile della sezione aeronautica dell’istituto Tecnico Malignani di Udine, mi ha fornito una traccia ministeriale, illustrandomi alcuni aspetti didattici da tener presente nello svolgimento e nella correzione della prova. Successivamente a tali interviste il sottoscritto ha risolto la traccia ministeriale fornita dal prof. Nicola Quitadamo. Il lavoro è stato successivamente pubblicato sulla piattaforma on-line del tirocinio. z quarta attività: in questa attività lo scrivente, in collaborazione con il collega Iogna Prat, ha prodotto una presentazione multimediale di una unità di apprendimento della disciplina Aerotecnica ed impianti di bordo. In particolare l’u.a. scelta è stata “il Decollo”, che viene somministrata agli allievi del quinto anno, nella metà del secondo quadrimestre. Inoltre è stato anche prodotto un elaborato inerente ad un confronto tra due identici progetti inseriti nel POF di due differenti istituti. In particolare i progetti analizzati hanno riguardato le attività di Stage svolte durante l’anno scolastico presso aziende del territorio, in riferimento all’alternanza scuola-lavoro. La ricerca è stata effettuata presso due scuole superiori della provincia di Udine. Il tutto, unitamente alla relazione finale del tirocinio del I° anno, è stato pubblicato sulla piattaforma on line del tirocinio. 6 4. TIROCINIO DIRETTO – II ANNO Durante il periodo del Tirocinio diretto si sono svolte le seguenti attività: Presso le scuole convenzionate si sono svolte attività connesse alla professione docente, al fianco del docente accogliente: osservazione in classe, cooperazione in gruppi di lavoro in classe, svolgimento delle lezioni, correzione elaborati, partecipazione ai CdCl, analisi e discussione con il docente accogliente del progetto formativo,…; Con i supervisori di tirocinio abbiamo svolto diversi incontri finalizzati alla: costruzione di percorsi formativi a partire dalle esperienze concrete, simulazione di attività d’aula, comparazione e riflessione di esperienze, elaborazione di materiali per la mediazione insegnamento/apprendimento, … Grazie alla sinergia tra i diversi attori del progetto di tirocinio svolto, e cioè tra tirocinante, docente accogliente e supervisore, ho potuto raggiungere in modo più o meno soddisfacente le seguenti competenze: conoscere, assumere e controllare comportamenti di insegnamento tramite procedimenti e strumenti condivisi; utilizzare il feed back per il cambiamento di atteggiamenti; lavorare con gli altri (nel gruppo di lavoro, nelle riunioni istituzionali, nella guida dei gruppi); assumere responsabilità formative; essere in grado di fare ricerca didattica (particolari percorsi, moduli, unità, ecc.) nell'ambito della propria disciplina. Ed è proprio grazie ai due docenti accoglienti assegnati (Prof. Quitadamo per l’abilitazione A001 e il Prof. Colmari per l’abilitazione A071), e all’eccellente lavoro di coordinamento svolto dal supervisore (Prof. G. Panozzo), ho potuto vivere una esperienza di osservazioneriflessione e di progetto-azione attraverso cui acquisire tutte le competenze prefissate e necessarie per la professione didattica-educativa di docente nella scuola superiore. Soprattutto con tale esperienza diretta ho potuto crescere e maturare professionalmente proprio grazie al rapporto instaurato con l’istituzione scuola e con gli studenti nel momento formativo dell’insegnamento. Quindi il tirocinio diretto, realizzato attraverso un’attenta e critica osservazione, ha consentito di raccogliere e interpretare i dati e di individuare i nodi problematici. Data la disponibilità dei docenti accoglienti e grazie alla preparazione fornita dai corsi SSIS, 7 durante tutto il percorso di tirocinio diretto non si sono presentate particolari difficoltà. Il punto di forza dell’esperienza è stato l’inserimento graduale nel contesto-scuola che il tirocinio diretto permette di fare; infatti grazie al tutor e al coordinamento del supervisore si riesce a vivere una vera e propria esperienza della pratica professionale di docente, utile per tutti quelli che vogliono intraprendere la via della docenza. Infatti, pur essendo da nove anni docente nella scuola statale superiore, ho potuto sperimentare una nuova realtà che mi ha portato a riflettere, a pensare, e quindi a mettere in discussione critica il mio modo di “fare” scuola. L’unico punto di debolezza è stato concentrare il tirocinio diretto di entrambe le abilitazioni in un unico anno, o meglio in 6 mesi; sarebbe stato meglio distribuire tale periodo lungo tutti i due anni di specializzazione. 8 PROGETTAZIONE DI UNA UNITA’ DIDATTICA 1. INTRODUZIONE ALL’U.A. E CONTESTO SCOLASTICO L’unità didattica sull’ala finita viene progettata per gli alunni di una classe quarta del triennio di indirizzo “Costruzioni aeronautiche” – progetto “Ibis” - dell’ Istituto Tecnico Industriale “A. Malignani” di Udine. La disciplina interessata è Aerotecnica e Impianti di Bordo. Tale disciplina prevede, in tale classe, 5 ore settimanali di insegnamento, di cui 3 da effettuarsi in compresenza con un insegnante tecnico-pratico (I.T.P.). Il programma ministeriale prevede per questo insegnamento due macro aree, ovvero quella dell’aerodinamica del velivolo e quella degli impianti di bordo, sulle quali il docente oriente l'azione didattica: I. L’aerodinamica del velivolo più in generale parte con lo studio della dinamica dei fluidi viscosi e non, attraversando lo studio delle interazione dei corpi in moto relativo negli stessi. Inizialmente il caso di corpi semplici d’interesse aeronautico, come oggetti fusiformi, lastre, fino a giungere ai profili alari da cui si passa al caso dell’ala finita e alla sua progettazione. Da qui la composizione dell’intero velivolo come oggetto di aggregazione di vari elementi interferenti tra di loro. Successivamente l’integrazione del velivolo- aliante con il gruppo motopropulsore ed il calcolo delle sue prestazioni. II. La parte Impiantistica ha come oggetto la descrizione e il dimensionamento delle varie tipologie d’impianto che si trovano a bordo del velivolo. Vengono così affrontate in maniera propedeutica gli argomenti di base come l’oleodinamica, la pneumatica, l’elettrotecnica, l’elettronica, per poi passare agli impianti specifici come quello oleodinamico dei servocomandi, di pressurizzazione e condizionamento, elettrico, antighiaccio, antincendio. L’unità didattica si colloca all’interno del contesto curricolare della disciplina come parte del modulo: Modulo “Sostentazione dinamica – La portanza” - unità didattiche: L’effetto Magnus. Il teorema di Kutta-Joukowsky Teroria dell’ala di allungamento infinito. I profili alari. 9 L’ala Finita – teoria di Prandtl. Progettazione di un ala con forma in pianta qualsiasi. Si fa riferimento quindi ad una progettazione per obiettivi che riconduce ad un modello lineare-tecnologico. Gli approcci seguiti dal docente sono sia di tipo teorico, con lezioni frontali e sia di tipo pratico, grazie alle esperienze di laboratorio supportate dall’insegnante tecnico-pratico. Il contesto territoriale in cui è inserito l’Istituto Tecnico Industriale “A. Malignani” è quello della Provincia di Udine, caratterizzata da un importante tessuto industriale, costituito per lo più da piccole imprese, che offre notevoli possibilità occupazionali alla popolazione locale. Detto territorio, storicamente caratterizzato da un’economia prevalentemente agricola, negli ultimi decenni ha subito una notevole evoluzione, diventando sede di un polo industriale tra i più dinamici del Nord – Est. In esso vi sono insediate aziende legate prevalentemente all’industria meccanica, alla lavorazione del legno ed al comparto del mobile. A sostegno del tessuto produttivo, la rete ferroviaria e quella autostradale, Venezia – Trieste ed Udine – Villach (Austria), svolgono un ruolo di primaria importanza. Una spinta al rinvigorimento della vivacità industriale della zona è sicuramente sopraggiunta in seguito al processo di allargamento delle frontiere dell’Unione Europea, che ha favorito il recente ulteriore sviluppo degli scambi commerciali con i Paesi dell’Europa dell’Est, in primis Slovenia, Ungheria e Romania. Il suddetto corridoio autostradale costituisce per tali Paesi la via di accesso al mercato italiano più battuta. Ciò ha comportato un progressivo incremento del trasporto su gomma, da e per i Paesi dell’Est Europa, che ha finito per aumentare esponenzialmente il flusso di traffico stradale sul tratto di competenza delle Autovie Venete della A4. Si sta recentemente discutendo sulla possibilità di realizzare una terza corsia per ogni senso di marcia, con le associazioni degli autotrasportatori schierate in prima linea nella perorazione di tale proposta. E’ ragionevole aspettarsi che il potenziamento della rete autostradale, in osservanza dei vincoli ambientali, possa sicuramente portare a nuove opportunità di sviluppo dell’economia locale, richiamando flussi di denaro che darebbero ulteriore vitalità all’intero territorio. In ambito culturale, costituiscono validi ed autorevoli punti di riferimento l’Università degli Studi di Udine e la vicina Università di Trieste, ma anche gli Atenei di Padova e Venezia, ben collegati dalla strada ferrata. Si ripropongono di ampliare il ventaglio di opportunità in materia occupazionale i vari enti regionali di formazione al lavoro come l’ENAIP e lo IAL, ben distribuiti sul territorio regionale. 10 Lo sviluppo economico, oltre ad offrire ottime prospettive occupazionali agli studenti laureati, spinge le imprese del territorio alla ricerca di figure professionali intermedie, da reperire nella scuola secondaria di secondo grado. A tal riguardo l’ITIS “Arturo Malignani”, risulta tra i più accreditati a livello regionale ad assolvere a tale funzione, operando a stretto contatto con la Confindustria, nella quale primeggiano aziende del territorio che competono a livello internazionale come la DANIELI S.p.a., le FERRIERE NORD S.p.a., la FANTONI, la SNAIDERO, e tutte quelle del settore del legno. L’ ITIS “Arturo Malignani” ha da tempo instaurato un solido legame con la DANIELI S.p.a., con stretti rapporti di scambio d’informazioni per il potenziamento della formazione teorica, grazie alla fornitura da parte dell’azienda di specifiche tecniche, materiale didattico di supporto ai testi di studio e di attività di avvio al lavoro degli studenti di area meccanica, tramite degli stage aziendali. Anche per il settore aeronautico si sono stretti degli accordi con aziende importanti, come la AGUSTA, situata in Lombardia, SUPERJET in Veneto, e tutto il settore dei trasporti rappresentato in regione dalla ELIFRIULI e dall’ AIRDOLOMITI, e della manutenzione e produzione rappresentato dalla FLYSINTHESIS e dalla FLYEVOLUTION. Con queste realtà si sono stretti accordi per le attività di stage estivo degli studenti della sezione aeronautica dell’Istituto. L'istruzione tecnica ha conosciuto i suoi esordi in Friuli già nel 1866. In quegli anni fu fondata una scuola serale di disegno per artigiani, divenuta nel 1879 “Regia Scuola d'Arti e Mestieri” a carattere industriale. Dopo il Primo Conflitto Mondiale essa si trasformò in “Regia Scuola Professionale” intitolata a "Giovanni Da Udine", con sede in Via Alfieri, successivamente, nel 1924, in “Regia Scuola Tecnica Industriale” e quindi in “Scuola tecnica ad indirizzo industriale ed artigiano” (1933). Già dal 1930 presero avvio i primi corsi per motoristi aeronautici su iniziativa dell'ing. F. Scaglione, direttore della scuola. Gli insegnanti erano sottufficiali del campo di aviazione "Bonazzi". Fino alla riforma del 1937, le scuole tecniche furono gestite come aziende, con veri e propri Consigli di Amministrazione. Nel caso della "Giovanni da Udine", il C.d.A. era costituito da alcuni degli industriali friulani del tempo, cosicché i programmi e i corsi di studio si adeguarono facilmente alle esigenze economiche del territorio. Fin da allora il futuro "Malignani" si configurò come una scuola indirizzata alla formazione di allievi preparati ad essere inseriti immediatamente nelle realtà produttive. Oltre a quello per motoristi aeronautici, altri corsi attivati a partire dai primi anni Venti erano destinati ad allievi edili, decoratori, fabbri, falegnami, elettricisti, fonditori. Nel 1937 si approvarono le spese per un corso di avieri motoristi che durò dal 1 Maggio al 30 11 Novembre ed ciò ebbe seguito nell'anno scolastico 1937-38. Nel 1938 la scuola fu elevata al rango di “Regio Istituto Tecnico Industriale con indirizzo aeronautico” (R.D. 17 Maggio 1938) e venne dedicata ad A. Locatelli, un valoroso pilota dell'Aviazione Italiana, Medaglia d'Oro al V.M., nato a Bergamo il 1895 e morto in Somalia nel 1936. Egli si distinse per le imprese nel corso della Prima Guerra Mondiale e le ricognizioni effettuate con Gabriele D'Annunzio (quella sui cieli di Vienna), ma anche per i voli sull'Africa, sugli Stati Uniti e sull'America Latina (un volo di otto ore senza scalo sulle Ande). L'istituto era ubicato in Via A. Manzoni, in quella che oggi è la sede dell'I.P.S.I.A. "G. Ceconi". Il primo Preside fu l'ing. G.Conti (1905-1985) e tale rimase, tranne che per una brevissima interruzione, fino al 1975. Ordinario di Costruzioni Aeronautiche a Pisa, aveva conseguito una prima Laurea in Ingegneria Civile e poi quella in Ingegneria Aeronautica. Per la sua competenza venne distaccato dal Ministero a Udine in qualità di Preside (era il più giovane Preside d'Italia), al fine di avviare e costruire un Istituto Tecnico Aeronautico cui il governo attribuiva grande rilevanza anche a livello strategico. La storia dell'I.T.I "A. Locatelli" prima, "A.Malignani" poi, ed in particolare della Sezione Costruzioni Aeronautiche è strettamente intrecciata all'operato dell'ing. Conti. Udine fu la seconda città d'Italia dopo Pisa ad essere sede di un Istituto Tecnico Aeronautico. Fin dall'inizio del secolo i friulani avevano dimostrato una vera vocazione per il volo, testimoniata dalla presenza di varie scuole di pilotaggio e di piccoli aeroporti. Nel 1910, nei pressi di Pordenone, fu fondata la prima Scuola Italiana di Aviazione, dalla quale uscirono piloti autori di prestigiosi record. Altre scuole di pilotaggio videro la luce negli anni seguenti (S. Quirino e Aviano) e tutto ciò portò all’avvio di diverse attività produttive in campo aeronautico. Durante il primo conflitto mondiale, il più importante campo di aviazione in Italia fu quello di Campoformido (UD): qui operarono F. Baracca e L. Olivari. In seguito il campo ospitò il primo stormo caccia e, nel 1928, la prima vera pattuglia di alta acrobazia. Anche nel settore della sperimentazione di nuovi velivoli, il Friuli fornì importanti contributi: dopo il piccolo monoplano del tipo Bleriot costruito a Udine, nel 1910– 11 la Società di costruzioni aeronautiche Elios di Pordenone realizzò il monoplano "Friuli", seguito dal progetto "Nibbio" del 1913. Il più geniale dei costruttori friulani del tempo fu A. Mattioni, creatore, nel 1924, di un velivolo, la "Botte volante", che può essere considerato un primo esempio di aereo a reazione. Per quanto riguarda l'attività produttiva, nel 1921 con l'acquisto di un idrovolante monomotore triposto tipo H di costruzione SIAI, a Trieste venne creata dai Cosulich la SISA, dalla quale ebbero origine le prestigiose Officine Aeronautiche di Monfalcone (idrovolanti CANT). La SISA ottenne nel 1925 la gestione delle prime linee aeree italiane (il primo volo avvenne il 1° Aprile 1926). La produzione di idrovolanti cessò 12 con la fine della Seconda Guerra Mondiale, ma ciò non segnò la scomparsa del settore produttivo (Meteo di Monfalcone e Aer Lualdi). Dal primo Aero Club, fondato nel 1926, la grande tradizione dell'alta acrobazia aerea proseguì fino a che, nel 1960, lo Stato Maggiore dell'Aeronautica Militare decise di costituire una Pattuglia acrobatica Nazionale, le "Frecce Tricolori", con sede alla base militare di Rivolto. E' evidente dunque che il rapporto tra il territorio friulano e l'aviazione ha rinvigorito l'istituzione del "Locatelli". Questa scuola ha preparato generazioni di tecnici esperti e d'altra parte, la specializzazione per Costruttori aeronautici è rimasta portante anche quando, nel secondo dopoguerra, se ne sono aggiunte altre. Dopo il Secondo Conflitto Mondiale, il 24 gennaio 1946, l'Istituto venne intitolato ad "Arturo Malignani", inventore ed imprenditore friulano, arricchendosi di nuove specializzazioni (Edilizia, Elettrotecnica, Meccanica e Metalmeccanica, Elettronica, Chimica) ed evolvendosi nelle strutture e nei programmi scolastici. Per rispondere all'afflusso sempre crescente di studenti furono istituite sedi staccate alcune delle quali sono ora diventate Istituti autonomi: il “J.F.Kennedy” di Pordenone, il “Leonardo da Vinci” di Portogruaro (Ve), il “Solari” di Tolmezzo , il “Malignani 2000” di Cervignano del Friuli, e buona parte dell'istruzione professionale del Friuli. All'inizio degli anni Sessanta cominciò la costruzione della nuova sede dell'Istituto, in Viale Leonardo da Vinci, le cui moderne strutture si proposero quale modello per le Scuole Tecniche d'Italia. L'Istituto "A. Malignani" ha dato un forte contributo, anche a livello nazionale, a tutto ciò che costituisce innovazione formativa nel campo delle specializzazioni post-diploma e di quello dell'istruzione tecnica. Gli anni Ottanta sono stati caratterizzati da una tendenza alla riorganizzazione del sistema produttivo industriale italiano mediante l'introduzione della microelettronica, della meccatronica e dell'informatica e il "Malignani" è stato uno dei primi a promuovere un'auto riforma dei programmi di studio, aggiornandoli alle nuove esigenze, in modo da fornire ai futuri periti una preparazione conforme all'evoluzione del sistema produttivo. Al giorno d'oggi, il "Malignani" è uno dei migliori I.T.I.S. della nazione e continua a garantire all'industria personale tecnico altamente specializzato. Gli studenti della Specializzazione Costruzioni Aeronautiche compilano giornalmente il bollettino meteorologico, che viene poi esposto, rilevando i dati necessari con le apparecchiature di cui è dotato l'Istituto. Inoltre ogni anno un gruppo d'allievi dal rendimento scolastico particolarmente brillante può conseguire il Brevetto di Volo presso il campo di aviazione di Campoformido godendo di borse di studio regionali. Dall'anno scolastico 1997-98, infine, è stato istituito un corso post-diploma (i docenti appartengono all'Istituto). La Specializzazione 13 Costruzioni aeronautiche continua a formare futuri piloti (molti delle Frecce tricolori) e tecnici ad alta qualificazione. L'ultimo riconoscimento in ordine di tempo è giunto nel 1997, quando Nicola Pecile, ex studente della sezione Aer B, ha ricevuto il premio come miglior pilota militare NATO. Per quanto riguarda il settore industriale aeronautico presente nel territorio, è da dire che attualmente in regione non risiedono grosse aziende di produzione di aeromobili. Sono però in forte espansione aziende produttrici di velivoli Ultraleggeri ed aziende di manutenzione aeronautica appartenenti ad importanti gruppi di trasporto aeronautico a livello internazionale. Con l’Autonomia scolastica il “Malignani” si sta aprendo a ulteriori cambiamenti, sperimentazioni, miglioramenti nell’offerta formativa: nella scuola che cambia, l’Istituto ha in sé le energie e l’entusiasmo necessari ad accettare la sfida del futuro e affrontare senza paura il nuovo che avanza, spesso anticipandolo, come ha sempre fatto, in particolare nel suo rapporto con le realtà più dinamiche del territorio ed in piena sintonia con realtà formative di eccellenza di tutta Europa, della Cina e d’Oltreoceano. 5 indirizzi specializzati, preceduti da un biennio comune e a conclusione dei quali si consegue il titolo di studio di perito industriale: − Edilizia (Progetto sperimentale "Udine") − Costruzioni Aeronautiche (Progetto Sperimentale IBIS) − Meccanica (Corso diurno di ordinamento e corso serale Progetto Sirio) − Elettrotecnica ed automazione (Corso di ordinamento) − Elettronica e telecomunicazioni (Corso diurno di ordinamento e corso serale Progetto Sirio) Liceo Scientifico Tecnologico indirizzo sperimentale, quinquennale, previsto dal progetto di riforma redatto dalla Commissione Brocca, che si conclude con un titolo di Maturità scientifica Gli indirizzi specializzati garantiscono un grado di preparazione che consente sia l’inserimento nel mondo del lavoro (come coordinatori nei reparti di lavorazione o impiegati negli uffici tecnici) sia l’iscrizione al Collegio dei periti industriali previo superamento dell’Esame di Stato, dopo un biennio di tirocinio certificato dal datore di lavoro e dall’ordine dei periti industriali, oppure dopo un corso universitario. Tutti gli indirizzi specializzati e il Liceo Scientifico Tecnologico permettono agli/alle allievi/e l’accesso a tutte le facoltà universitarie. Ponendo particolare attenzione all’indirizzo di studi in Costruzioni Aeronautiche (Progetto 14 Sperimentale IBIS), possiamo parlare di un percorso formativo così sviluppato: − un biennio propedeutico (1°, 2°) comune a tutti gli indirizzi − un triennio di specializzazione (3°, 4°, 5°) nel quale gli allievi oltre a studiare le materie di area comune approfondiscono quelle tecniche d’indirizzo Dall'anno scolastico 1996/97, con l’entrata in vigore del progetto IBIS, si è cercato di fornire allo studente del Corso di Costruzioni Aeronautiche conoscenze che lo mettano in grado di lavorare nel settore aeronautico in contesti che spaziano dalla produzione industriale (progettazione, costruzione, collaudo, ecc.) agli altri campi connessi con l'aviazione. Le conoscenze tecnologiche e meccaniche inoltre danno la possibilità al diplomato di inserirsi anche in altri settori industriali (la meccanica fine per esempio). Il cardine della specializzazione è l'area progettuale, incentrata su discipline quali Aerotecnica, Disegno e Progettazione, Impianti di bordo e sull'approfondimento degli aspetti aeronautici nell'ambito delle altre materie tecniche (Meccanica e Macchine a fluido, Tecnologie aeronautiche). Sono altresì essenziali le discipline comuni a tutti gli indirizzi (Lingua e Lettere italiane, Storia e Educazione civica, Economia e Diritto, Matematica, Lingua straniera, Educazione fisica, Religione o Attività alternative), non solo per le competenze specifiche che forniscono (ad esempio conoscenze giuridiche, economiche, culturali e storiche e, in genere, linguistiche), ma soprattutto perché rinforzano le abilità di elaborazione, di ragionamento, di confronto e l'approccio sistemico ai problemi. Al termine degli studi, il diplomato avrà più generali conoscenze ed abilità proprie dell'Area meccanica e una preparazione più specifica nel settore aeronautico, in particolare nelle Costruzioni Aeronautiche. Egli sarà inoltre in grado di comprendere manuali d'uso e documenti tecnici vari, anche redatti in lingua inglese. Al perito in costruzioni aeronautiche si aprono più sbocchi professionali. Egli potrà trovare impiego nello specifico settore aeronautico, accedere, previo esame di selezione, all'Accademia di Pozzuoli e ad altre Accademie militari o a Corpi specializzati. Oltre a ciò, grazie alle conoscenze generali di tipo meccanico, potrà inserirsi nella vasta area produttiva legata al settore o in attività produttive differenti. Il diploma conseguito consente altresì di accedere all'Università. Il quadro orario dell’indirizzo Aeronautico con specializzazione in Costruzioni Aeronautiche è il seguente: Materie di studio Area comune Italiano Storia 3° 3 2 Lab. 4° 3 2 Lab. 5° Lab. 3 2 15 Diritto ed economia Matematica Lingua straniera (Inglese) Educazione fisica Religione/attività alternativa Area d’indirizzo Tecnologie aeronautiche Disegno e progettazione Aerotecnica ed impianti di bordo Meccanica e macchine a fluido 4 3 2 1 6 5 4 6 1 2 3 3 2 36 Ore settimanali 2 3 3 2 1 4 5 5 6 1 2 3 3 2 36 Ore settimanali 2 3 2 2 1 6 5 6 4 1 2 3 3 2 36 Ore settimanali L’azione formativa della sezione Aeronautica è affidata ad un corpo di docente con notevole esperienza, che permette di garantire continuità nella didattica e nel servizio. Per migliorare la qualità dell’offerta formativa, sono stati attivati progetti come “Voglia di Cielo” e “Brevetti di Volo”, che cercano di rispondere alle richieste attraverso nuove forme di progettualità con attività integrative alle proposte curricolari, ritenendo che la professionalità del docente non si esaurisca nelle conoscenze, ma si estenda alla capacità di suscitare interessi, curiosità e senso critico. 2. FINALITA’ Contribuire al processo di formazione globale dell’allievo; Provocare nuovi stimoli e interessi negli studenti; Rendere lo studente protagonista attivo del suo apprendimento, abituandolo all’uso delle sue conoscenze ovvero a tradurre il sapere nel saper fare. In particolare l’insegnamento della disciplina si propone come finalità, nel settore dell’AVIAZIONE GENERALE: Far acquisire la capacità di riconoscere le varie parti del velivolo, il loro funzionamento e loro eventuale manutenzione; Fornire competenze in termini di scelta dei materiali e di loro dimensionamento; Rendere noto i processi di fabbricazione di semplici particolari d’interesse aeronautico, a partire dallo loro rappresentazione grafica. 3. ARTICOLAZIONE TEMPORALE Il curricolo scolastico prevede per le classi quarte 5 ore di lezione settimanali di cui 3 in 16 compresenza. Il tempo previsto per lo svolgimento dell’unità didattica è di 7 ore totali così suddivise: - 4 ore di lezione frontale d’aula per la presentazione dei contenuti e la loro applicazione; - 2 ore per lo svolgimento delle verifiche; - 1 ore per la consegna, correzione collettiva e discussione dei risultati delle verifiche in classe e per eventuale attività di recupero. Il periodo previsto per lo svolgimento della presente unità didattica è tra dicembre e gennaio. 4. PREREQUISITI Conoscenza del comportamento dei fluidi viscosi e non, in campo incomprimibile ; Conoscenza del concetto di resistenza di attrito e di forma; Conoscenza del concetto di vortice ideale e reale; Conoscenza dell’effetto Magnus e del teorema di Kutta-Joukowsky; Conoscenza delle caratteristiche dei profili alari NACA a 4 e 5 cifre; Conoscenza dei concetti di centro di pressione e centro aerodinamico; 5. CONTENUTI Teoria di Prandtl – La resistenza indotta. L’ala ellittica. L’ala Rettangolare (non svergolata) – utilizzo del report NACA TR 572. 6. OBIETTIVI DIDATTICI Conoscenze - Modello vorticoso dell’ala finita; - Genesi della resistenza indotta; - Caratteristiche aerodinamiche dell’ala ellittica - Metodi ingegneristici per la individuazione delle caratteristiche aerodinamiche di un’ala con forma impianta rettangolare. Capacità 17 - Calcolo della retta di portanza per un ala con forma in pianta ellittica e rettangolare (non svergolata); - Calcolo del CLMax per un’ala ellittica e rettangolare(non svergolata); - Calcolo della polare di un’ala di assegnate caratteristiche geometriche e aerodinamiche; - Calcolo della distribuzione di carico e di resistenza lungo una superficie alare; Competenze (del modulo) - Scelta della forma in pianta dell’ala, e del profilo alare in relazione allo specifico impiego; - Utilizzazione delle conoscenze acquisite per risolvere situazioni problematiche in maniera autonoma e funzionale; - Utilizzazione delle conoscenze, in contesti non propriamente aeronautici; - Uso delle terminologie specifiche in modo adeguato e consapevole; - Utilizzazione dei contenuti delle materie affini in ambito interdisciplinare; 7. METODOLOGIE Per le lezioni teoriche e quella di laboratorio si utilizza il metodo espositivo partecipativo, dove gli studenti vivono alternativamente periodi di ascolto e periodi di intervento; durante quest’ultimi i ragazzi possono sia porre domande, che intervenire sugli argomenti trattati. Alla fine si procede con dei feedback per verificare se gli argomenti sono stati compresi correttamente. Utile è anche la metodologia didattica del “problem solving” che consiste nell’iniziare a lavorare su un argomento attraverso la discussione di un problema, che obbliga l’allievo a mettere in moto una serie di ragionamenti e di ricerche che lo porteranno, da solo, al raggiungimento della soluzione (non necessariamente unica). 8. SUSSIDI E STRUMENTI DIDATTICI Gli spazi utilizzati sono: Aula della classe; Laboratorio di Costruzioni aeronautiche. Gli strumenti da utilizzare sono: 1. COLLETTIVI: Lavagna tradizionale, computer con videoproiettore, apparecchiature e strumentazione disponibile in laboratorio; 18 2. INDIVIDUALI: Libro di testo (Aerotecnica – M. Flaccavento – ed. Hoepli), dispense e appunti. 9. VERIFICHE Le verifiche comprendono prove scritte e discussioni-dibattiti. Le verifiche scritte sono del tipo strutturato con domande aperte (quesiti) e con item a risposta chiusa per i contenuti di natura teorica. Per i contenuti di natura pratica le verifiche riguardano esercizi da svolgere con e senza l’ausilio del libro di testo e che prevedono l’utilizzo delle tabelle dei profili Naca a 4 e 5 cifre. Verifica formativa Come verifica formativa si prevedono interrogazioni ad ogni lezione. La valutazione finale terrà conto anche dell’impegno, dell’interesse verso i contenuti trattati, della partecipazione durante le lezioni, del livello di qualità del metodo di studio e degli interventi durante le attività didattiche. Verifica finale Gli studenti dovranno affrontare la prova soltanto al termine dell’unità di didattica del modulo. E’ prevista un’unica prova per valutare conoscenze e capacità acquisite relative all’unità didattica trattata della durata di 2 ore. Il docente valuterà dall’elaborato le conoscenze, le capacità e gli obiettivi raggiunti. Tale elaborato consisterà in una serie di domande vero/falso, e a risposta aperta. La verifica sarà costruita sulla base delle domande riportate nel capitolo relativo alle verifiche sommative, dal quale ne saranno scelte un congruo numero. 10. CRITERI DI VALUTAZIONE Tramite una Griglia di Valutazione presente nel testo della verifica, si è assegnato ad ogni domanda un punteggio in decimi in funzione della difficoltà e dell’importanza dell’argomento trattato. Alle domande vero/falso verrà assegnato il punteggio dato se la risposta segnata è quella corretta o un punteggio pari a zero se la risposta non è stata data o data in modo sbagliato. Alle domande a risposta aperta verrà assegnato il punteggio in base ai seguenti indicatori: 19 Griglia Attribuzione Punteggio per domande aperte Indicatore Peso in riferimento al punteggio massimo assegnabile 1. Correttezza concettuale 50 % 2. Conoscenza/Attinenza argomentativa 30 % 3. Terminologia tecnica 20 % 11. INTERVENTI DI RECUPERO Se necessario, dopo la consegna della verifica finale, verrà impiegata un'ulteriore lezione di recupero riguardante gli argomenti soggetti a più frequenti errori. Si tratta di spiegazioni rivolte all'intera classe e/o al singolo allievo, dirette a correggere eventuali lacune nell'apprendimento degli obiettivi didattici; per gli allievi che sono risultati sufficienti tale lezione avrà scopo di consolidamento. Inoltre si prevede un eventuale corso pomeridiano extra curricolare per gli studenti ancora in difficoltà anche a valle del recupero indicato. 20 SVILUPPO DEI CONTENUTI DELL’UNITA’ DIDATTICA 1. TEORIA DI PRANDTL – la Resistenza indotta L’ala finita (Wing) è l’elemento che assicura la sostentazione del velivolo. Dal punto di vista geometrico l’ala si presenta come un “corpo snello” di dimensioni finite, nel quale vengono definiti i seguenti parametri: Figura 1: caratteristiche geometriche dell'ala finita La differenza che caratterizza il campo di moto nel passaggio dal profilo, ala di apertura infinita, all’ala di apertura finita è che il flusso da bidimensionale diventa tridimensionale. 21 Figura 2: Vortici di estremità Questo comporta, pur nelle ipotesi semplificative e comuni a questo studio di modello di fluido non viscoso, incomprimibile e stazionario, l'insorgere di una componente di forza aerodinamica diretta come la velocità asintotica V∞ , cioè una componente di resistenza, a cui si dà il nome di resistenza indotta. Un'ala di apertura infinita, in condizioni tali da produrre portanza, presenta una distribuzione di pressione costante nel senso dell'apertura e differente fra dorso e ventre (la portanza infatti è dovuta proprio alla differenza fra la pressione sul dorso e quella sul ventre). Quando però l'apertura dell'ala è finita, la differenza di pressione tra dorso e ventre alle estremità alari deve necessariamente annullarsi. Questo comporta l'insorgere di un gradiente di pressione in direzione dell’apertura alare, ed una conseguente componente trasversale di velocità di segno opposto fra dorso e ventre. Ne consegue che le linee di corrente sulla superficie alare sono curve (nel caso portante deflesse verso l’interno sul dorso e verso l’esterno sul ventre). 22 Figura 3: Caratteristiche del campo di moto intorno un'ala finita In particolare, al bordo d'uscita dell'ala, la corrente proveniente dal dorso avrà velocità non necessariamente eguale a quella proveniente dal ventre, in quanto la corrente non è piana. Due elementi di fluido tra loro a contatto non possono trovarsi a pressioni differenti, se non separati da una superficie in grado di sostenere la differenza di pressione che si è instaurata. Figura 4; Scia di Prandtl In questo modo si crea una superficie di discontinuità della velocità, uno strato vorticoso, in corrispondenza del bordo d’uscita e la velocità presenta a sua volta una componente diretta 23 verso l’interno sul dorso e verso l’esterno sul ventre. Questo strato vorticoso che nel caso stazionario si deve estendere sino all’infinito, anche a prescindere da fenomeni di natura viscosa, non si mantiene sempre uguale a se stesso, ma i filetti vorticosi di rotazione concorde tendono ad avvolgersi, dando origine a due nuclei vorticosi di dimensioni finite, posti all’estremità alare, con asse circa parallelo alla direzione della velocità asintotica. E’ la scia di Prandtl. Le idee alla base della formulazione del modello di Prandtl dell’ala finita sono le seguenti: 1. La portanza è associata alla circolazione lungo l’apertura alare. Essendo la portanza, e di conseguenza, la circolazione nulli all’estremità alare, la circolazione deve variare lungo l’apertura alare. La circolazione è la grandezza incognita. 2. Per il secondo teorema di Helmotz, ad una variazione di circolazione lungo l’apertura alare deve corrispondere un flusso di vorticità uscente dal bordo d’uscita. 3. L’ala e la scia vengono rappresentati da una distribuzione di filetti vorticosi, che per il primo teorema di Helmoltz, non possono avere lunghezza finita, ma devono chiudersi su se stessi o estendersi fino all’infinito. La scia viene ipotizzata piana e allineata con la corrente asintotica. In tal modo i filetti vorticosi che la costituiscono sono tutti paralleli, diretti come l’asse x e si estendono sino all’infinito. 4. Nel caso di ali di elevato allungamento (AR>5) i vortici presenti sull’ala possono essere impacchettati in un unico vortice portante (lifting line). Prandtl ha adottato tale vortice per rappresentare tutta la portanza che si sviluppa lungo l’ala. Inoltre ha posto come ipotesi che l’ala abbia freccia nulla. La superficie alare portante viene così ridotta ad un "segmento portante" che si estende da -b/2 a +b/2; tutti i vortici di scia risultano pertanto entranti o uscenti da questo segmento e tutti i possibili punti della superficie alare vengono a trovarsi su questo segmento. Per meglio interpretare tale ipotesi, studiamo cosa resta del nostro problema nel momento in cui l’allungamento alare AR aumenta. L’analisi può essere impostata come un problema di perturbazione singolare, col parametro 1/ AR che tende a zero nel momento in cui l’allungamento alare tende all’infinito. Possiamo individuare due lunghezze caratteristiche del problema, l’apertura alare e la corda. L’apertura alare è la lunghezza che caratterizza il campo di moto nella sua globalità e parlare di allungamento alare che tende all’infinito, si traduce nel considerare l’apertura alare costante e la corda che diventa sempre più piccola. Questo significa che la velocità in un generico punto del campo di moto sarà poco o nulla influenzata dalla distribuzione di vorticità sull’ala ma dipenderà solo dal suo valore globale, la circolazione. E’ lo schema di Prandtl. Ma se vogliamo analizzare ciò che succede sul profilo, cioè a corda fissata, al tendere di AR 24 all’infinito, l’apertura alare deve crescere. Di conseguenza, per un punto A qualsiasi sulla superficie dell'ala, la velocità aggiuntiva indotta in questo punto dai vortici aderenti che attraversano la sezione alare alla quale appartiene il punto A, dipende quasi esclusivamente dall'intensità dei vortici "vicini” alla sezione considerata. Il contributo dei vortici aderenti lontani dal punto A è trascurabile anche se questi proseguissero rettilinei fino all'infinito nei due sensi. Per quanto detto, possiamo supporre che i vortici aderenti si estendano davvero fino all'infinito nei due sensi nella direzione dell'asse y. Naturalmente questo ragionamento cade in difetto in prossimità delle estremità alari. Le estremità alari provocano un errore nei risultati che si stanno per ricavare, ma se l'ala è di grande allungamento le estremità alari costituiscono una porzione piccola dell’apertura alare e l'errore introdotto poco influenza i risultati che si ottengono per l'ala intera. Si desume allora che in una generica sezione alare il flusso si può trattare come bidimensionale, con l’avvertenza che la velocità in quella zona del profilo è modifica dalla presenza della scia che induce un campo di velocità che varia da punto a punto lungo l’apertura alare. 5. Si può allora affermare che ogni sezione alare si comporta come se facesse parte di un profilo bidimensionale, investito, oltre che dalla corrente indisturbata di velocità V∞, anche da una corrente aggiuntiva provocata dai vortici di scia. Figura 5: Induzione dei vortici liberi lungo la linea portante 25 Considerando l’asse y diretto secondo l’apertura alare e con la scia allineata con la velocità asintotica e di conseguenza contenuta nel piano x-y otteniamo, che la velocità indotta in corrispondenza del vortice portante presenta una sola componente, quella in z, cioè w. La velocità risultante VR è somma vettoriale della velocità asintotica e della velocità indotta. La variazione di angolo di incidenza è allora α i ( y ) = a tan −1 ( w( y ) w( y ) )≅ V∞ V∞ dove abbiamo fatto l’ipotesi di angolo piccolo (ipotesi di w piccola se confrontata alla velocità asintotica) ottenendo: α eff ( y ) = α − α i ( y ) con angolo di incidenza misurato a partire dalla direzione della corda. VR Figura 6: Resistenza indotta 6. Per il calcolo della forza aerodinamica per unità di apertura possiamo usare il teorema di Kutta-Joukowski: l = ρ ⋅ V∞ ⋅ Γ (1) Notiamo che la forza è perpendicolare alla VR e non alla V∞ . Direzione ed entità varieranno lungo l’apertura. Dal punto di vista del “profilo” possiamo esprimere la portanza come: 26 l ( y) = 1 ρVR2 c( y )Clα (α − α i ) 2 (2) dove il valore di coefficiente di portanza si ottiene dalla risoluzione di un problema “bidimensionale”, al limite anche dai dati della curva di portanza del profilo, con valore di incidenza pari al valore effettivo, cioè il valore di incidenza ridotto di quello indotto. 7. La condizione di raccordo può essere vista come l’imposizione che il valore di forza aerodinamica sia uguale nei due casi, cioè: 1 2 ρV∞ Γ( y ) = ρVR2 c( y )Clα (α − α i ) (3) Abbiamo ottenuto una equazione con incognita la circolazione che appare espressamente a sinistra dell’uguale e implicitamente, nella valutazione dell’angolo di incidenza indotto, a destra dell’uguale. La figura seguente fornisce un quadro compelssivo di tutto il modello della linea portante di Prandtl. Figura 7:modello della linea portante 27 L’equazione (3) scritta, è a tutti gli effetti una equazione non lineare, in conseguenza del legame tra angolo di incidenza e coefficiente di portanza del profilo. Una prima semplificazione si ottiene considerando le velocità di perturbazione piccola rispetto alla velocità asintotica e di conseguenza confondendo il modulo della velocità relativa VR con quello della velocità asintotica. La (3) diventa: 1 2 ρV∞ Γ( y ) = ρV∞2 c( y )Clα (α − α i ) (4) da cui: 2 ⋅ Γ( y ) = Clα (α − α i ) (5) c( y ) ⋅ V∞ La soluzione del problema della determinazione della circolazione lungo l’apertura alare basato sulle due equazioni può avvenire tramite un procedimento iterativo del tipo: • stima della circolazione; • calcolo la velocità indotta; • determinazione del coefficiente di portanza utilizzando l’informazione “bidimensionale” (teorica o sperimentale); • verifica della (4). Se non è soddisfatta si aggiorna (opportunamente) la circolazione e si prosegue nelle iterazioni. Altrimenti si è pervenuti alla soluzione richiesta. Nota la circolazione, a partire dalla (1) possiamo determinare la portanza e la resistenza indotta tramite le: b 2 L = pV∞ ∫ Γ( y )dy − b 2 b 2 Di = pV∞ ∫ α i ( y )Γ( y )dy − b 2 28 2. L’ALA ELLITTICA La forma in pianta ellittica dell’ala presenta una notevole semplificazione del modello vorticoso, che si traduce nelle proprietà che andiamo qui a elencare. La velocità indotta (downwash) lungo l’apertura alare è costante. Quindi anche l’incidenza indotta è costante lungo l’apertura alare, e assume il seguente valore: α i = a tan −1 ( w w C L (α ) )≅ = V∞ V∞ π ⋅ AR Anche l’incidenza effettiva risulterà di conseguenza costante lungo l’ala, con la conseguenza che tutti i profili si trovano a lavorare alla stessa incidenza: α eff = α − C L (α ) π ⋅ AR La valutazione della portanza e della resistenza indotta sviluppata globalmente dall’intera ala può essere effettuata sommando globalmente il contributo fornito dai singoli profili: b 2 b 2 b 2 1 1 2 2 L = ∫ l ( y )dy = ∫ ⋅ ρ ⋅ V∞ ⋅ cl ⋅ c( y ) ⋅ dy = ⋅ ρ ⋅ V∞ ⋅ cl ∫ c( y )dy b b2 b 2 − − − 2 2 2 da cui: cL (α ) = cl (α eff ) L’incidenza di portanza nulla dell’ala coinciderà con quello del profilo utilizzato nell’ala: α eff = α − C (α ) C L (α ) = α − l eff π ⋅ AR π ⋅ AR α zl = α zL 29 Il coefficiente di resistenza indotta del profilo assume il valore: C L2 (α ) C D i (α ) = α i ⋅ C L (α ) = π ⋅ AR b 2 Di = ∫ d i ( y )dy = − b 2 b 2 1 1 b 2 ∫ 2 ⋅ ρ ⋅ V ⋅ c ⋅ c( y ) ⋅ dy = 2 ⋅ ρ ⋅ V ⋅ c ∫ c( y )dy − b 2 2 ∞ di 2 ∞ di − b 2 da cui: cL2 (α ) cl2 (α eff ) = cdi (α eff ) = cDi (α ) = π ⋅ AR π ⋅ AR La distribuzione della portanza lungo l’apertura, essendo quest’ultimo proporzionale alla distribuzione delle semicorde della forma in pianta ellittica dell’ala, sarà essa stessa ad andamento “ellittico”. Stessa cosa per la distribuzione di resistenza indotta, la quale a parità di AR dell’ala, risulta globalmente la minima in assoluto. b 2 L = ∫ l ( y )dy = ρ ⋅ V∞2 ⋅ cl − b 2 b 2 − b 2 c( y ) dy 2 ∫ b 2 b 2 Di = ∫ d i ( y )dy = ρ ⋅ V∞2 ⋅ cdi ∫ − b 2 − b 2 c( y ) dy 2 Figura 8: caratteristiche del carico lungo un'ala ellittica Il gradiente della retta di portanza dell’ala ellittica, C Lα può essere ricavato direttamente da quello del profilo utilizzato nell’ala ellittica, Clα , noto l’allungamento alare AR della stessa. Infatti partendo dalla retta di portanza del profilo: 30 Cl (α eff ) = Clo + Clα (α − α i ) = Clo + Clα (α ) − Clα Cl (α eff ) + Clα Cl (α eff ) = π ⋅ AR Cl (α eff ) = Clo + Clα (α ) = π ⋅ AR Clα Cl (α eff )1 + = Clo + Clα (α ) = C L (α ) = C Lo + C Lα (α ) π ⋅ AR C L (α ) = Clo Clα (α ) + = C lα Clα 1 + 1 + ⋅ AR π π ⋅ AR da cui si ottiene che: C Lo = Clo C lα 1 + π ⋅ AR C Lα = Clα (α ) C lα 1 + π ⋅ AR Al variare dell’AR dell’ala ellittica la retta di portanza dell’ala assume il seguente andamento: Figura 9: andamento della retta di portanza dell'ala al variare dell'AR 31 Da cui si ricava che per la finitezza dell’ala ellittica, il gradiente della retta di portanza della stessa è sempre minore di quello del profilo (uguagliandosi solo per ala con AR → ∞ ). C L α 〈 C lα In base a quanto precedentemente accennato, fissato il Re del problema, il coefficiente di portanza massimo dell’ala si ha quando: C L max (α st ) = Cl max (α st eff ) α st 〉α st eff da cui: L’incidenza di stallo dell’ala ellittica è maggiore di quella del profilo utilizzato, fissato Re. Nell’ala ellittica lo stallo avviene simultaneamente su tutta l’ala, in quanto tutti i profili raggiungono contemporaneamente lo stallo. La resistenza dell’ala ellittica, viene calcolata sommando il contributo della resistenza di profilo (attrito+forma) al contributo derivante dalla resistenza d’indotta (di origine non viscosa), derivante dalla tridimensionalità dell’ala: b 2 b 2 b 2 1 2 Di = ∫ d o ( y )dy + ∫ d i ( y )dy = ⋅ ρ ⋅ V∞ ⋅ [cdo (α eff ) + cdi (α eff )]∫ c( y )dy b b b 2 − − − 2 2 2 b 2 1 1 2 2 ⋅ ρ ⋅ V∞ ⋅ cD (α ) ⋅ S = ⋅ ρ ⋅ V∞ ⋅ [cdo (α eff ) + cdi (α eff )]∫ c( y )d b 2 2 − 2 cD (α ) = cdo (α eff ) + cdi (α eff ) Se l’ala si trova ad operare agli assetti operativi ( α < 6° ), il valore del Cdo(α) (ordine di grandezza di 10-3), risulta pressoché costante, o meglio le piccole variazione sulla 3 cifra decimale danno un minimo contributo, visto che il coefficiente di resistenza indotta risulta essere di un ordine di grandezza superiore (ordine di grandezza di 10-2). Pertanto in tale ipotesi l’espressione precedentemente ottenuta viene semplificata nell’espressione: 32 cD (α ) = cdo MIN + cdi (α eff ) cD (α ) = cdo MIN + cl (α eff ) π ⋅ AR cD (α ) = cdo MIN + cL (α ) π ⋅ AR A tale ultima espressione viene data il nome di Polare Teorica (o di Prandtl). Problema: E’ assegnata un’ala ellittica con allungamento alare AR=6, apertura alare b=10m, caratterizzata da un profilo NACA 1412. Si determini la portanza sviluppata dall’ala quando la stessa, a quota z=0m, viene posta ad una velocità di 150 km/h, con una incidenza di 4°, e si determini l’incidenza di stallo. Svolgimento: a - Dalla lettura della curva Cl(α) del profilo ricaviamo i seguenti dati: α zl = α zL = 1° (incidenza di portanza nulla) Clo=0.1 (coefficiente di portanza a α Clα = Clo α zl =0.1 1 1 = 5.73 gradi rad = 0° ) (gradiente della retta di portanza) Cm=1.67m (corda media dell’ala) Re=4.7 106 (numero di Reynolds del problema) Clmax=1.25 α st eff =12° b - Dalle relazioni precedentemente sviluppate ci ricaviamo la curva CL(α) dell’ala: C Lo = C Lα = Clo =0.077 Clα 1 + π ⋅ AR Clα (α ) 1 =0.077 C lα gradi 1 + π ⋅ AR 33 ottenendo così la curva: CL(α)=0.077+0.077 α Da cui ricaviamo: CL(4°)=0.385 c – Con riferimento all’ala possiamo calcolarci la superficie in pianta: b2 =16.7m2 S= AR Nota la superficie in pianta è possibile calcolare la portanza: L= 1 ⋅ ρ ⋅ V∞2 ⋅ cL ⋅ S = 6837 N 2 d – A riguardo del coefficiente di portanza massimo dell’ala sappiamo che: C L max (α st ) = Cl max (α st eff ) = 1.25 con una incidenza di stallo dell’ala data da: α st = α st eff + C L (α st ) MAX π ⋅ AR = 12° + 3.8° = 15.8° 34 3. L’ALA RETTANGOLARE (non svergolata)– UTILIZZO DEL REPORT NACA TN 572 L’ala rettangolare a differenza di quella ellittica presenta una distribuzione della velocità indotta e di conseguenza dell’incidenza indotta lungo l’apertura, variabile in aumento dal centro dell’ala verso le estremità. α i ( y) = w( y ) V∞ Tale distribuzione comporta una diminuzione delle incidenze effettive lungo l’apertura, a partire dalla parte centrale dell’ala verso le estremità. α eff ( y ) = α − α i ( y ) Per tali motivi la progettazione aerodinamica dell’ala rettangolare si presenta abbastanza complessa se rapportata a quella dell’ala ellittica. Durante gli anni 1930-1940, furono condotte presso i laboratori della NACA di Langley, delle sperimentazioni per mettere a punto un metodo ingegneristico per la progettazione aerodinamica di ali rastremate, svergolate e dotate di freccia, che avesse come punto di partenza la progettazione aerodinamica dell’ala ellittica, a parità di allungamento alare. Tale metodo messo a punto da Raymond Anderson, e contenuto nel Report NACA TN 572, contempla tra i vari sottocasi quello dell’ala rettangolare non svergolata che di seguito riportiamo. Fissato il profilo, l’allungamento alare AR , l’apertura alare b dell’ala rettangolare come per 35 l’ala ellittica si ha: α zl = α zL A riguardo invece dei parametri C Lo , e C Lα , questi si ottengono correggendo opportunamente le espressioni ottenute per l’ala ellittica a parità di C Lo = f Clo C lα 1 + π ⋅ AR C Lα = f AR . Clα (α ) Clα 1 + π ⋅ AR dove “f” è un parametro correttivo che si ricava dal seguente grafico: In tal modo otteniamo per l’ala rettangolare la curva della retta di portanza: C L (α ) = C Lo + C Lα (α ) Per quanto riguarda la Polare Teorica dell’ala rettangolare (valida ad assetti operativi) questa si ottiene correggendo in aumento il coefficiente di resistenza indotta dell’ala ellittica, tramite l’aggiunta a denominatore di un coefficiente correttivo “u”, (con u<1). cDi (α ) = cL2 (α ) u ⋅ π ⋅ AR 36 Il coefficiente correttivo “u” si ricava dal seguente diagramma: Per quanto riguarda lo stallo, tenuto conto che lungo l’ala il profilo che si trova a lavorare a maggiore incidenza è quello centrale, si ha quindi che lo stallo avrà inizio proprio in questa zona dell’ala propagandosi verso le estremità. Cautelativamente lo stallo dell’ala potrebbe quindi fissarsi nel momento in cui il profilo centrale dell’ala raggiunge la condizione di Clmax, al numero di Re di funzionamento. Pertanto la valutazione dell’ α st dell’ala potrebbe effettuarsi calcolando il CLmax dell’ala che si ottiene quando il profilo centrale dell’ala, assume il valore Clmax (dato noto). Tale calcolo passa attraverso la conoscenza del coefficiente di carico addizionale. Il coefficiente di carico addizionale è un parametro determinato sperimentalmente da Anderson, e che permette di calcolare per un’ala rettangolare non svergolata, la distribuzione del carico lungo l’apertura alare, noto il CL dell’ala all’assetto calcolato. Il valore del coefficiente di carico addizionale à riportato in funzione dell’AR e del rapporto di rastremazione λ, in alcune stazioni, fissate lungo l’apertura alare. Nel nostro caso con riferimento alla stazione centrale dell’ala, abbiamo tabellati i seguenti valori: 37 C L max = Cl max cladd Dove Clmax e Cladd sono valori noti. Calcolato il CLmax dell’ala, dalla curva della retta di portanza si ottiene: α st = C L max − C Lo C Lα Problema: E’ assegnata un’ala rettangolare con allungamento alare AR=6, apertura alare b=10m, caratterizzata da un profilo NACA 1412. Si determina la portanza sviluppata dall’ala quando la stessa a quota z=0m, viene posta ad una velocità di 150 km/h, con una incidenza di 4°, e si determini l’incidenza di stallo. Svolgimento: a - Dalla lettura della curva Cl(α) del profilo ricaviamo i seguenti dati: α zl = α zL = 1° (incidenza di portanza nulla) Clo=0.1 (coefficiente di portanza a α Clα = Clo α zl =0.1 1 1 = 5.73 gradi rad = 0° ) (gradiente della retta di portanza basse incidenze) Cm=1.67m (corda media dell’ala) Re=4.7 106 (numero di Reynolds del problema) 38 Clmax=1.25 α st eff =12° Clα = Cl max α st eff − α zl =0.096 1 = gradi 5.5 1 (gradiente rad della retta di portanza per alte incidenze) Clo=0.098 (per alte incidenze) b - Dalle relazioni precedentemente sviluppate ci ricaviamo la curva CL(α) dell’ala: C Lo = f C Lα = f Clo Clo = 0.987 ⋅ =0.076 ( per alte incidenze 0.075) C lα Clα 1 + 1 + π ⋅ AR π ⋅ AR Clα (α ) Clα (α ) 1 = 0.987 ⋅ 0.076 Clα Clα gradi 1 + 1 + π ⋅ AR π ⋅ AR (per alte incidenze 0.073) ottenendo così la curva: CL(α)=0.076+0.076 α (CL(α)=0.075+0.073 α per alte incidenze) Da cui ricaviamo: CL(4°)=0.38 c – Con riferimento all’ala possiamo calcolarci la superficie in pianta: b2 S= =16.7m2 AR Nota la superficie in pianta è possibile calcolare la portanza: L= 1 ⋅ ρ ⋅ V∞2 ⋅ cL ⋅ S = 6748.1 N 2 d – Dalla tabella dei coefficienti di carico addizionale relativi alla stazione y=0, in base al valore di AR=6, otteniamo che Cl add=1.163, da cui: : 39 C L max = Cl max 1.25 = = 1.07 cladd 1.163 da cui, tenuto conto che siamo alle elevate incidenze: α st = C L max − C Lo 1.07 − 0.075 = = 13.6° 0.073 C Lα 4. TESTI DELLE VERIFICHE SOMMATIVE A - Eseguire il test senza ausilio del libro di testo indicando se le seguenti affermazioni sono vere o false. V F 1) Si definisce angolo di freccia l’angolo che la linea dei fuochi forma con la perpendicolare all’asse di simmetria del velivolo.. 2) Si definisce angolo diedro l’angolo che il piano alare forma con l’asse del velivolo. 3) La polare teorica è quella ottenuta sperimentalmente. 4) Lo svergolamento alare è l’angolo che la sezione d’incastro forma con la fusoliera. 5) Il profilo NACA 0012 è un profilo asimmetrico a curvatura negativa. 6) Il profilo NACA 4412 è caratterizzato da freccia massima pari a 4% di c, posizione di freccia massima al 40% di c, e spessore massimo relativo pari a 12% di c. 7) L’ala avente forma in pianta ellittica è quella che presenta la minima resistenza di forma. 8) La velocità indotta à variabile nell’ala ellittica. 9) In un’ala ellittica lo stallo inizia alle estremità. 10) Lo stallo di un’ala rettangolare è contemporaneo in tutte le sezioni. 11) La freccia e la rastremazione alare sono utilizzate contemporaneamente per innescare lo stallo all’estremità alare. 12) La freccia alare diminuisce la stabilità direzionale. B – LESSICO FONDAMENTALE: Spiegare il significato dei seguenti termini aiutandosi con uno schizzo. 1. DOWNWASH 2. RESISTENZA INDOTTA 3. FRECCIA ALARE 4. STALLO 5. RESISTENZA DI PROFILO 40 6. POLARE TEORICA 7. NACA 2412 8. αZL 9. CLMax 10. SVERGOLAMENTO GEOMETRICO 11. DIEDRO 12. VORTICI LIBERI C - ESERCIZI DA SVOLGERE SENZA L’AUSILIO DEL LIBRO DI TESTO 1) Confrontare la curva cl (α ) di un profilo alare e con quella fissato AR, che utilizza lo stesso profilo. cL (α ) di un’ala rettangolare, di 2) Disegna la polare di un profilo asimmetrico a curvatura positiva e confrontala con quella di un’ala rettangolare che utilizza lo stesso profilo, fissato AR. 3) Confrontate la curva positiva. cl (α ) di un profilo simmetrico con quella di profilo asimmetrico a curvatura ' 4) Confrontate la distribuzione di carico che si sviluppa lungo un’ala rettangolare e un’ala ellittica. 5) Disegnate il modello vorticoso di Prandtl dell’ala finita. D - ESEGUIRE IL TEST SENZA AUSILIO DEL LIBRO DI TESTO INDICANDO LA GIUSTA RISPOSTA. 1) Calcolate l’ascissa del centro di pressione in 4 stazione fondamentali lungo l’apertura di un’ala rettangolare ad incidenza α = 2 , caratterizzata da un allungamento alare di b=7m, e da un profilo alare NACA 2412. 0 AR = 6 da una apertura 2) Calcolate l’incidenza di stallo e l’efficienza aerodinamica di un’ala ellittica ad incidenza caratterizzata da un allungamento alare 4412. α = 40 , AR = 6 da una apertura di b=6m, e da un profilo alare NACA 3) Calcolate l’efficienza aerodinamica di un’ala rettangolare ad incidenza α = 0 0 , caratterizzata da un allungamento alare AR = 6 da una apertura di b=6m, e da un profilo alare NACA 4412, quando il flap del profilo viene deflesso di 60o. 41 5. GRIGLIA DI VALUTAZIONE La verifica, sarà realizzata scegliendo un congruo numero di domande, ad esempio: - 10 domande V/F del tipo A - 8 vocaboli del tipo B - 3 esercizi del tipo C - 1 domande del tipo D Qui di seguito si esplicitano i punteggi per ogni tipologia di quesito Quesito A (20%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Punteggio max - 10 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) 1 (0.2) Quesito B(20%) -C (20%) Punteggio max - 10 Correttezza concettuale 4 (1.6) Chiarezza espositiva 2 (0.8) Completezza indicazioni grafiche 4 (1.6) Quesito D (40%) Punteggio max - 10 Correttezza nel calcolo 4 (1.6) Chiarezza espositiva 2 (0.8) Completezza indicazioni grafiche e unità di misura. 4 (1.6) I punteggi così ottenuti concorreranno alla valutazione complessiva con il peso di riferimento indicato nella tabella seguente. Valutazione complessiva Peso di riferimento Quesito A 20% Quesito B 20% Quesito C 20% Quesito D 40% 42 6. CONCLUSIONI La trattazione delle problematiche relative alla progettazione aerodinamica delle superfici alari, riveste un ruolo di fondamentale importanza nel percorso curricolare del perito industriale in “costruzioni aeronautiche”. L’unità didattica sull’ala finita ha per l’appunto gettato delle basi di progettazione inerente a forme in pianta di uso comune, facilmente estendibili a settori d’impiego non prettamente aeronautici (alettoni e spoiler in campo automobilistico). Per una comprensione profonda del tema trattato vi è la necessità di applicare quanto studiato, confrontandosi con il lato pratico della disciplina, aspetto centrale dell’attività didattica. Inoltre, la vastità dell’argomento in oggetto, ma anche l’interdisciplinarità dello stesso, necessita di un allievo responsabile del proprio apprendimento. Il ricorso al libro di testo e, soprattutto, all’uso dei manuali, Report NACA – NASA, deve stimolare l’allievo all’autonomia, facendogli intendere che la conoscenza non si limita ai concetti visti a lezione, ma prosegue per mezzo della consultazione personale, in un aggiornamento continuo delle proprie competenze. 43 BIBLIOGRAFIA Aeronautica Generale – Prof. Ing. Valentino Losito - appunti delle lezioni – Università di Napoli Federico II. Fluidodinamica e aerodinamica II – appunti delle lezioni – Politecnico di Milano. Manuale di meccanica, 2003, Ed. Zanichelli / ESAC, Roma Aerotecnica – M. Flaccavento – ed. Hoepli. AA.VV., La formazione dell’insegnante, anno I, numero 1/2, 2003, Ed. Pensa MultiMedia AA.VV., La professionalità docente nell’istruzione secondaria, Syllabus, anno I, numero 3, 2003, Ed. Pensa MultiMedia 44 Università Ca' Foscari -Venezia ESTRATTO PER RIASSUNTO DELLA TESI E DICHIARAZIONE DI CONSULTABILITA' (*) Il sottoscritto Ciro Ciotola Matricola n. R10970 Facoltà SSIS iscritto al corso di specializzazione in A001 – Aerotecnica e costruzioni aeronautiche. Titolo della tesi (**): L’Ala Finita. DICHIARA CHE LA SUA TESI E': Consultabile da subito Non consultabile Consultabile dopo ___ mesi 18 maggio 2009 Firma dello studente ___________________________ Venezia, (spazio per la battitura dell'estratto) In questa tesi si sviluppa il percorso di tirocinio SSIS e l’applicazione di quanto appreso nei corsi di specializzazione per l’insegnamento nella scuola secondaria. Nello specifico, si fa riferimento alla classe di concorso A001 – Aerotecnica e costruzioni aeronautiche. Nel testo viene esplicitato il percorso di progettazione completo dell’unità didattica “L’Ala finita” da attuare in una classe IV di un ITIS con indirizzo “Costruzioni Aeronautiche” – progetto “IBIS”. (*) Da inserire come ultima pagina della tesi. L'estratto non deve superare le mille battute (**) Il titolo deve essere quello definitivo uguale a quello che risulta stampato sulla copertina dell'elaborato consegnato al Presidente della Commissione Università Ca' Foscari -Venezia 45