Sto cercando di comprendere il principio di funzionamento del motore dei razzi.
Mi spiego meglio. Informandomi sul web ho capito che essi sfruttano la reazione di opportune sostanze al fine di produrre una combustione. Dopodichè i gas che nascono vengono espulsi dall’ugello ad alta velocità e pressione. Sul web ho trovato una spiegazione generale che afferma “I razzi sfruttano il principio di azione e reazione di Newton”. Il problema è che questa spiegazione non mi soddisfa a sufficenza!
La spinta uguale e contraria è dovuta al fatto che i gas vengono spinti verso fuori e quindi “poggiano” sul gas già espulso sollevando il razzo?
Inoltre, la forza che nasce va intesa come applicata nel punto esatto in cui termina l’ugello?
Nel caso dei motori aeronautici, tralasciando il fatto che nel cielo c’è aria e nello spazio il vuoto, la spinta funziona nello stesso modo dei motori per razzi? Oppure vi è una “superficie” interna sulla quale far “gravare” la spinta uguale e contraria dovuta ai gas espulsi?
Spero di essermi espresso chiaramente Un grazie anticipato a chiunque mi aiuterà a togliermi questa cuoristà.
Allora, ora senza immagini è difficile da spiegare, però immagina un palloncino chiuso, per il principio di Pascal la pressione interna spinge sulla superficie in modo omogeneo, ovvero ogni forza è bilanciata da un altra che spinge dalla parte opposta con la stessa intensità. Immagina ora di bucare questo palloncino, dove pratichi il buco non essendoci più la parete sulla quale la forza si scarica rimane solo la forza diametralmente opposta che spinge sulla parete opposta rispetto all’apertura, ecco, questa è la forza che fa sollevare il razzo. Non è assolutamente vero che il razzo si appoggia sulla colonna di gas espulsi, altrimenti come farebbe a funzionare nel vuoto? Anche alcuni motori aeronautici sono motori a reazione, qui non èil mio forte ma credo che i veicoli militari hanno motori a reazione: l’aria viene spinta dentro una camera di combustione, compressa, bruciata ed espulsa, invece i veicoli civili usano o motori a elica che non sono a reazione o i turbofan che sono un ibrido. Spero di essere stato chiaro…
La combustione è solo una fase del processo di generazione della spinta ed è solo uno dei modi per sviluppare l’energia necessaria a produrre la spinta, che è il vero scopo di un propulsore. Esistono infatti propulsori che generano una spinta senza sostenere una combustione.
L’ugello realizza propriamente una espansione, la condizione di ottimo per la spinta si realizza proprio quando la pressione sulla sezione di efflusso è pari alla pressione ambiente esterna (ugello adattato).
La spinta in generale è il risultato dell’incremento della quantità di moto di un fluido propulsivo: aria o miscela di aria e combustibile per gli esoreattori, oppure la miscela dei gas combusti per un endoreattore.
L’incremento di quantità di moto si realizza a grazie all’energia disponibile da diverse fonti; questa energia, immagazzinata ad esempio nel combustibile o nei propellenti, deve solitamente subire delle trasformazioni per poter essere sfruttata (es: en. chimica → en. termica → en. cinetica).
Nel caso degli endoreattori la spinta si realizza grazie all’espulsione ad alta velocità dei gas combusti. All’azione di espulsione dei gas da parte dell’endoreattore corrisponde per il 3° principio della dinamica una reazione uguale e contraria esercitata dai gas sull’endoreattore stesso. L’entità della forza generata può essere calcolata sfruttando il principio della conservazione della quantità di modo, meccanicamente è il risultato delle forze esercitate dal fluido sulle pareti del motore.
A seconda del livello di astrazione e del modello considerato puoi decidere dove applicare la risultante della spinta.
In linea generale tutti i sistemi basati su un getto funzionano in questo modo e sfruttano gli stessi principi fisici, la principale differenza nel caso dell’esoreattore consiste nel fatto che il fluido propulsivo è costituito in gran parte dall’aria esterna introdotta ed elaborata dal motore, in questo caso non si impartisce una variazione di quantità di modo ad un fluido stivato a bordo come nel caso dei motori a razzo, ma si aumenta la quantità di moto dell’aria elaborata, la spinta quindi dipende in questo caso anche dalla velocità di volo.
Columbus: dopo le eccellenti spiegazionei che hai gia’ avuto, vorrei fare un paragone molto piu’ semplice. L’azione e la reazione non necessitano di combustione, o di una colonna di gas su cui spingere, nulla di tutto questo.
Immagina di essere su un lago ghiacciato, per semplicita’ (attrito molto basso). Se prendi il tuo zaino e lo lanci, anche tu inizi a spostarti, dalla parte contraria a quella dello zaino. A secondo di quanto pesa lo zaino e della velocita’ che hai impartito, puoi dedurre con dei calcoli matematici anche la tua di velocita’.
Detto questo, in un motore a razzo, questi gas vengono espulsi di continuo (invece che il tuo zaino sul lago ghiacciato) quindi anche la spinta e’ continua. I gas sono molto leggeri, ma sono molto caldi per cui si espandono molto velocemente, per cui si riesce ad ottenere una spinta considerevole che puo’ far partire verso l’alto dei razzi pesantissimi. Purtroppo i motori a razzo moderni sono voracissimi e consumano tutto il comburente in pochi minuti, che sono pero’ sufficienti a portare dei piccoli carichi in orbita.
La “spinta” sarebbe in prima approssimazione sulle pareti stesse dell’ugello, che ha una forma particolare adatta al fatto che ci troviamo nell’atmosfera a livello del mare, o nel vuoto, quanto si parla degli stadi superiori.
L’esempio dello zaino di manoweb è perfetto! Riguardo gl aerei, ci sono diversi tipi di motore che usano in buona sostanza lo stesso principio: il più semplice possibile è il ramjet (statoreattore) in cui l’aria viene convogliata passivamente in una camera di combustione, dove viene iniettato il carburante e avviene l’accensione. I gas si espandono e sono espulsi da un ugello posteriore generando spinta. Il motore non funziona se il veicolo è fermo o si muove a bassa velocità, perché il motore sfrutta la velocità dell’aria per l’intake e la compressione passiva dell’aria in ingresso. Oggi gli statoreattori non trovano grande uso, per ovvie ragioni ma anche per i consumi mostruosi. Gli incredibili motori del SR-71 al di sopra di una certa velocità funzionavano come ramjet, in quanto il compressore veniva completamente bypassato. Curiosità: piccoli ramjet sono stati usati anche alle estremità delle pale di elicotteri (tip-jet) come sistema alternativo che peraltro evidentemente non necessitandi rotore di coda (ma il sistema non ha riscosso grande successo).
I motori aeronautici più comuni sono turbojet o turbofan, questi ultimi in particolare ampiamente diffusi grazie ai minori consumi: come suggerisce il nome, si basano su un compressore a monte della camera di combustione. Il compressore è messo in moto da una turbina a valle che viene a sua volta azionata dai gas combusti. Nei turbofan, inoltre, lo stesso albero di compressore e turbina aziona, a monte di tutto, una ventola (“fan”) di diametro maggiore rispetto al motore. La ventola spinge una parte dell’aria verso il compressore ma, essendo più larga del motore, genera anche un flusso d’aria che bypassa il motore: questo flusso non verrà né compresso né “ignited”, ma genera comunque una spinta per reazione…la ventola agisce come un’elica, praticamente. Infatti i turbofan non sono concettualmente molto diversi dai turboelica. Nei turbojet normali, invece, manca la ventolona in ingresso e tutta l’aria passa attraverso la camera di combustione. In generale, quale che sia il funzionamento, tutti si basano sul principio di azione e reazione…anche le eliche, in fondo, variano la quantità di moto del fluido per generare una spinta in direzione opposta.
Scusate la digressione aeronautica ma mi sembrava interessante, chiedo a chi è più bravo di emendare o integrare come ritiene opportuno!!
Tornando ai razzi, mi ha incuriosito la domanda sul punto in cui si applica la forza: non ci avevo mai pensato, ma suppongo si possa considerare l’intera superficie dell’ugello.
L’idea espressa da Columbus all’inizio va bene se consideriamo la spinta meccanica esercitata da una ruota sul terreno. Esprime un vecchio concetto di movimento. Ad esempio si pensava che l’elica di una nave “scava” l’acqua, non la spinge, sebbene l’evidenza pratica mostra l’acqua che viene spinta indietro, idem per l’elica di un aereo.
Robert Goddard dovette inserire un suo razzo in una macchina a vuoto spinto per dimostrare che il razzo funziona anche e meglio nel vuoto, perché anche i fisici più blasonati sostenevano i dubbi oggi di Columbus.
Il motore a razzo funziona come un motore a scoppio o come un cannone, solo usa l’energia opposta, che nelle armi da fuoco si chiama rinculo, dovuta ai gas ad alta velocità che escono dall’ugello emulando il pistone o il proiettile.
Attenzione: nei fucili tattici moderni, il rinculo viene di molto attuito e la stabilita’ dell’arma (la sua tendenza a ruotare all’insu’ dato che tipicamente il supporto vincolare della mano e’ sotto la linea della canna) aumentata grazie a dei dispositivi che in inglese si chiamano “muzzle brake” che redirigono i gas esplosivi verso l’indietro ai lati e l’alto, insomma usando proprio la famosa terza legge di Newton per cercare di annullare il piu’ possibile tutte le componenti indesiderate a cui e’ sottoposto un fucile o pistola.
Interessantissimo quello che scrive Ares, che i ns nonni pensavano delle cose stranissime (l’elica che scava l’acqua, o il razzo che funziona solo nell’aria) perché non conoscevano il principio di azione e reazione. Con questi concetti empirici dev’essere stato un vero problema sviluppare dei dispositivi di propulsione efficienti.
In effetti ciò che oggi pare ovvio, un tempo doveva sembrare magico.
I principi teorici li conoscevano. La terza legge di newton è unpo’ antecedente i nostri nonni.
Non riuscivano a staccarsi dalla realtà soggettiva. Cosi cone i fisici non credevani a Marconi sino a quando non dimostrò praticamente che le onde radio potevano superare la curvatura terrestre.
Così comeInternt di cui si disse "ben presto esploderà in modo spettacolare, come una supernova, e nel 1996 collasserà catastroficamente.”
Perche’ un’elica che “scava acqua” sarebbe un’idea sbagliata? Nella parte anteriore dell’elica (sto semplificando) si genera una depressione(*) che letteralmente tira avanti la barca, sul retro si genera una pressione piu’ elevata che la spinge. Nei fatti, non sono sicuro che userei la terza legge di Newton per spiegare il funzionamento teorico di un’elica.
(*) se l’elica gira troppo in fretta, tale depressione e’ tale da permettere all’acqua di bollire!
Mi pare molto grossolano come concetto, é un pò come dire che é la colonna di gas che tiene su il razzo, a livello di percezione ci sta. L’errore che rilevo é quello di concentrarsi sull’apparenza sensoriale empirica invece che cercare di quantizzare e comprendere il fenomeno in maniera fisico-matematica. E senza Newton, qui un calcolo mi pare arduo…
Una curiosità: qualche anno fa ho fatto regate veliche sportive, e al culmine del mio furore agonistico ed in pieno periodo “Luna Rossa” ho comperato un libro di fluidodinamica applicata alle imbarcazioni scritta da un ingegnere del team New Zealand (che peraltro mi é costato una cifra); mi sono ritrovato di fronte ad una matematica incredibilmente complessa, da non credere!
<<Perche’ un’elica che “scava acqua” sarebbe un’idea sbagliata? Nella parte anteriore dell’elica (sto semplificando) si genera una depressione(*) che letteralmente tira avanti la barca, sul retro si genera una pressione piu’ elevata che la spinge. Nei fatti, non sono sicuro che userei la terza legge di Newton per spiegare il funzionamento teorico di un’elica.
(*) se l’elica gira troppo in fretta, tale depressione e’ tale da permettere all’acqua di bollire!>> (non visualizzo il tasto citazione)
Esatto manoweb. Tale fenomeno si chiama cavitazione ed è assolutamente deleterio per le eliche nautiche. Anzi, è la principale forma di deterioramento delle eliche, piccole o grandi che siano, perchè un poco di cavitazione si forma sempre.
Se le eliche funzionassero come un cavatappi, dietro le navi vi sarebbe solo un minimo spostamento d’acqua, dovuto all’acqua spostata dallo scafo. invece è ben evidente il ribollimento prodotto dalle eliche. Basta provare con un semplice modellino galleggiante facendolo andare con e senza motore. L’onda di poppa è visibilmente diversa.
Internet sarà superata quando avremo le cuffie mnemoniche ideate da A. Clarke nei suoi ultimi romanzi della serie 2001. Saremo tutti cerebralmente connessi e le esperienze di uno saranno le esperienze di tutti. Un guaio per truffatori & C.
È una semplificazione concettuale non necessariamente sbagliata. Il discorso che fai sulla differenza di pressione a monte e a valle dell’elica è correttissimo, soprattutto (o esclusivamente?) per le eliche navali…tant’è che il loro funzionamento può essere descritto sia secondo la terza legge di Newton (variano la quantità di moto del fluido) sia secondo le leggi di Bernoulli (generano un differenziale di pressione nel fluido).
Esatto. Per le eliche è la stessa cosa che per i profili alari…
La portanza di un’ala si può descrivere sia come differenza di pressione dovuta alla variazione di velocità del flusso lungo il profiol, sia come prodotto della circuitazione, sia come forza generata dalla variazione di quantità di moto del flusso d’aria che viene spinto verso il basso. Le tre formulazioni sono equivalenti
Credo di capire il tuo dubbio: ti stai chiedendo su quale superficie si genera la forza giusto?
La superficie è quella degli ugelli.
Le molecole del gas vanno a sbattere contro le pareti interne dell’ugello, che costringe le molecole del propellente a seguire una certa traiettoria, in sostanza spingendo il gas a uscire tutto nella stessa direzione. Se non ci fosse l’ugello, il gas combusto si espanderebbe in tutte le direzioni, le pareti interne dell’ugello invece applicano una forza sul gas combusto obbligandolo a uscire tutto in una direzione.
Quindi è lì che avviene l’effetto di azione reazione, sulle pareti stesse dell’ugello.
Per i motori aeronautici la cosa è simile, solo che il motore subisce una forza da parte dell’atmosfera anche nella parte frontale (si muove in un flusso d’aria). E quindi la spinta è data dalla risultante: forza che il gas imprime sul motore da dietro meno forza che il gas imprime sul motore dal davanti
O sulla parete superiore della camera di combustione? Scusa, io non ho fatto propulsione, ma ho sempre pensato (intuitivamente, a naso) che la spinta derivi dalle differenze di pressione sulle varie pareti del motore. Sul lato superiore ho la pressione interna della camera, sul lato inferiore (ugello) ho una pressione inferiore (e infatti i gas escono da lì, Bernoulli, velocità, convergente/divergente ecc. ecc.). La differenza delle due pressioni, per la differenza delle aree, genera la spinta. Ovviamente la stessa pressione esiste dulle pareti laterali del motore, ma qui si bilancia, quindi niente spinta, almeno finchè la camera di combustione non esplode.
Domanda correlata: in un motore a razzo, dov’è il centro di spinta? All’ugello, alla parete superiore della camera, o in un punto intermedio?
Io direi alla parte superiore della camera. La dimostrazione? I fuochi d’artificio, quelli che fischiano e basta. Sono un cilindro con un semplice foro sul fondo da cui escono i gas. Di sicuro lo sforzo non si esercita sull’asta del bilancere…
Lo stesso dicasi se adoperate un idrante, altro esempio del terzo principio. Dov’è l’ugello di scarico?
L’ugello serve per convogliare ed assorbire la spinta residua dei gas esausti. Nel fuoco d’artificio puoi farne a meno, ma nei propulsori a razzo più progrediti è indispensabile per l’efficienza del propulsore ed altri fenomeni che avvengono in quel frangente.
Già. L’esempio del razzetto (tubo senza ugello o quasi) e dell’idrante per me sono chiari. E fra l’altro questo risponde alla domanda iniziale di Columbus, che chiedeva dove nasce la forza e dove viene applicata.
La forza è proporzionale alla massa e velocità del fluido espulso, e nasce dalle differenze di pressione all’interno della camera, o tubo, o idrante, o canna per bagnare il giardino che dir si voglia; il punto di applicazione è la parte della camera contraria a dove esce il flusso. L’ugello serve a massimizzare la velocità di uscita, con il proprio profilo aerodinamico.
Un grazie anticipato a chiunque mi aiuterà a togliermi questa cuoristà. 
L’errore che rilevo é quello di concentrarsi sull’apparenza sensoriale empirica invece che cercare di quantizzare e comprendere il fenomeno in maniera fisico-matematica. E senza Newton, qui un calcolo mi pare arduo…