Capire il volo (al volo?)
Questo articolo accompagna il video “Aeroplani ed Effetto Coanda”, che con una sequenza di esperimenti illustra come volano gli aeroplani. L'effetto prende il nome da Henri Coanda, aviatore rumeno-francese, del quale abbiamo già parlato nell'articolo “Cannucce, lattine e aeroplani” [LINK].
I diversi esperimenti – con penne biro, filo da cucire, bicchieri, siringhe, cucchiai, aeroplani di carta – sono raccolti in una scheda [LINK]. Si tratta di esperimenti che si possono realizzare con materiale povero, alla portata degli studenti di ogni età, e ricchi di stimoli.
Dal punto di vista didattico, infatti, è interessante notare che il tema del volo viene spesso esposto sui libri di testo in modo confuso quando non sbagliato, e ingenera le cosiddette “misconception”, una parola molto diffusa nel gergo didattichese, che potremmo tradurre semplicemente con “idea sbagliata”.
Un esempio di tutto ciò è raccontato nel brano in antologia [LINK] “Aver fiducia nel proprio pensiero”. Si tratta di un saggio autobiografico di Jef Raskin (un pioniere dell'informatica, ideatore del Macintosh) pubblicato su una rivista per insegnanti. L'autore racconta dei suoi giorni da studente, quando con aeroplanini di carta cercava di opporsi alle misconception proposte dal libro e sostenute dall'insegnante.
Gli esperimenti semplici proposti si possono usare non solo per studiare l'aria, i fluidi, il volo. Essi possono servire per discutere della natura della scienza, del ruolo dell'esperimento, dell'importanza di collegare con grande coerenza le formule e i discorsi dei libri con il mondo reale.
Ma il volo è comunque un argomento molto controintuitivo. Anche grandi fisici – come Newton e Einstein – hanno preso qualche cantonata piccola o grande sul tema del volo. Ciò ci conforta se sbagliamo o fatichiamo a capire, e allo stesso tempo ci stimola a fare meglio.
Einstein (come racconta Raskin) ideò un'ala che non poteva volare, mentre Newton spiegò il volo degli uccelli in modo incompleto, come raccontano Anderson e Eberhardt in “La descrizione fisica della portanza” nel loro Understanding Flight (Comprendere il volo).
La descrizione fisica della portanza si basa primariamente sulle tre leggi di Newton e su un fenomeno detto Effetto Coanda. Questa descrizione è utile in modo unico per comprendere i fenomeni associati col volo. È utile per un'accurata comprensione delle relazioni nel volo, per esempio come la potenza aumenta col carico o come la velocità di stallo aumenta con l'altitudine. È anche un mezzo utile per fare stime approssimative sulla portanza (“calcoli sul retro di una busta”). La descrizione fisica della portanza è di grande utilità per un pilota che ha bisogno di una comprensione intuitiva di come far volare l'aeroplano.
In questa descrizione, la portanza è riconosciuta come una forza di reazione, ossia, le ali sviluppano portanza deviando l'aria verso il basso. Tutti sanno che le eliche producono spinta mandando l'aria indietro, e che un elicottero sviluppa portanza spingendo l'aria verso il basso. Le eliche e i rotori degli elicotteri sono semplicemente ali rotanti. E così il concetto di un'ala che devia l'aria verso il basso per sviluppare portanza non dovrebbe essere difficile da accettare. Come vedremo, la pressione bassa che si forma sopra l'ala accelera l'aria verso il basso, e quasi tutta la portanza di un'ala ben disegnata viene dalla deviazione dell'aria da sopra l'ala.
Bisogna stare attenti a non formarsi nella mente l'immagine dell'aria che colpisce la parte sotto l'ala e viene riflessa verso il basso. Questa è una misconception abbastanza comune, che fu anche di Sir Isaac Newton. Poiché Newton non era familiare con i dettagli del flusso dell'aria sopra un'ala, pensò che l'aria fosse deviata verso il basso dal suo impatto con la parte inferiore dell'ala degli uccelli. È vero che c'è un po' di portanza per questa deviazione dell'aria da sotto l'ala, ma la maggior parte della portanza è dovuta alla parte superiore dell'ala.
La descrizione fisica della portanza è molto potente. Permette di avere una comprensione intuitiva di fenomeni diversi come la dipendenza della portanza dall'angolo di attacco dell'ala, il volo rovesciato, l'effetto suolo, gli stalli ad alta velocità, e molto altro. Come detto, questa descrizione della portanza è quella utile al pilota in volo. Ciò non si può dire per la descrizione popolare della portanza.
E così, i materiali semplici, e i ragionamenti che si possono fare a partire da essi, ci aiutano a ragionare. Non sempre le cose si capiscono “al volo”, anzi, per capire il volo bisogna pazientemente smontare un castello di misconceptions, di comprensione a metà e di idee sbagliate, alcune delle quali si trovano sui libri e sono diventate una “descrizione popolare”, cioè molto diffusa.
Bisogna quindi – ed è un esercizio utile in ogni età, anche da bambini – mettere in fila oggetti, esperimenti, concetti, principi, quantità. Cose semplici che integrate, intrecciate in modo coerente, formano una teoria, una “processione ordinata”. Allora sì, quando si capisce, quando si impara, allora sì che si decolla, che si vola col pensiero!
Il video “Aeroplani ed Effetto Coanda” costituisce una sorta di “Quadrilogia dell'Aria” insieme agli altri video “Le Caraffine di Magiotti”, “Siringhe e legge di Boyle”, “Esperimenti a Vapore”.
Diversi argomenti presentati in questi video possono tornare utili per illustrare il volo. Per esempio, l'aeroplano che vola genera nell'aria intorno a sé degli anelli rotanti come quelli presentati ne “Le Caraffine di Magiotti”. La pressione (siringhe e legge di Boyle) è comunque molto utile per la descrizione del volo. E così via.
Allo stesso modo, gli esperimenti presentati in questo video possono servire per illustrare diversi temi. Le forze sui profili alari sono un esempio molto stimolante per il “principio di azione e reazione”. L'aria, le vele e il vento sono l'esempio migliore per lo studio dei “Sistemi di Riferimento” e delle “trasformazioni galileiane”.
