L’elica dell’aereo è composta da due o più pale e un mozzo centrale a cui sono fissate le pale. Ogni pala di un’elica di un aereo è essenzialmente un’ala rotante. Come risultato della loro costruzione, le pale dell’elica sono come profili alari e producono forze che creano la spinta per tirare o spingere l’aereo in aria. Il motore fornisce la potenza necessaria per ruotare le pale dell’elica attraverso l’aria ad alte velocità e l’elica trasforma la potenza rotante del motore in spinta in avanti.

Una sezione trasversale di una tipica pala dell’elica è mostrata in

paragonabile a una sezione trasversale di un’ala di aeromobile. Una superficie della lama è bombata o curva, simile alla superficie superiore di un’ala di aeromobile, mentre l’altra superficie è piatta come la superficie inferiore di un’ala. La linea di accordi è una linea immaginaria tracciata attraverso la lama dal suo bordo d’attacco al bordo d’uscita. Come in un’ala, il bordo d’attacco è il bordo spesso della lama che incontra l’aria mentre l’elica ruota.

L’angolo della lama, solitamente misurato in gradi, è l’angolo tra la corda della lama e il piano di rotazione e viene misurato in un punto specifico lungo la lunghezza della lama. [Figure 4-36] Poiché la maggior parte delle eliche ha una “faccia” a pala piatta, la linea di accordi è spesso disegnata lungo la faccia della pala dell’elica. Il passo non è l’angolo della lama, ma poiché il passo è in gran parte determinato dall’angolo della lama, i due termini sono spesso usati in modo intercambiabile. Un aumento o una diminuzione di uno è solitamente associato a un aumento o una diminuzione dell’altro.

Il passo di un’elica può essere designato in pollici. Un’elica designata come “74-48” sarebbe lunga 74 pollici e avrebbe un passo effettivo di 48 pollici. Il passo è la distanza in pollici, che l’elica avviterebbe attraverso l’aria in un giro se non ci fosse uno slittamento.

Quando si specifica un’elica a passo fisso per un nuovo tipo di aeromobile, il produttore di solito ne seleziona una con un passo che opera in modo efficiente alla velocità di crociera prevista dell’aeromobile. Ogni elica a passo fisso deve essere un compromesso perché può essere efficiente solo con una data combinazione di velocità e giri al minuto (rpm). I piloti non possono cambiare questa combinazione in volo.

Quando l’aereo è a terra a terra con il motore in funzione, o si muove lentamente all’inizio del decollo, l’efficienza dell’elica è molto bassa perché l’elica è trattenuta dall’avanzare con una velocità sufficiente per consentire alle pale a passo fisso di raggiungere la loro piena efficienza. In questa situazione, ogni pala dell’elica gira attraverso l’aria a un AOA che produce relativamente poca spinta per la quantità di potenza necessaria per ruotarla.

Per comprendere l’azione di un’elica, considera prima il suo movimento, che è sia rotazionale che in avanti. Come mostrato dai vettori delle forze dell’elica nella Figura 4-36, ciascuna sezione di una pala dell’elica si muove verso il basso e in avanti. L’angolo con cui quest’aria (vento relativo) colpisce la pala dell’elica è il suo AOA. La deflessione dell’aria prodotta da questo angolo fa sì che la pressione dinamica sul lato motore della pala dell’elica sia maggiore della pressione atmosferica, creando così spinta.

La forma della lama crea anche spinta perché è bombata come la forma del profilo alare di un’ala. Quando l’aria scorre oltre l’elica, la pressione da un lato è inferiore a quella dall’altro. Come in un’ala, viene prodotta una forza di reazione nella direzione della pressione minore. Il flusso d’aria sopra l’ala ha meno pressione e la forza (sollevamento) è verso l’alto. Nel caso dell’elica, che è montata su un piano verticale anziché orizzontale, l’area di pressione ridotta è davanti all’elica e la forza (spinta) è in direzione in avanti. Aerodinamicamente, la spinta è il risultato della forma dell’elica e dell’AOA della pala.

La spinta può essere considerata anche in termini di massa d’aria maneggiata dall’elica. In questi termini, la spinta è uguale alla massa dell’aria maneggiata moltiplicata per la velocità di scorrimento meno la velocità dell’aereo. La potenza spesa per produrre la spinta dipende dalla velocità di movimento della massa d’aria. In media, la spinta costituisce circa l’80 percento della coppia (potenza totale assorbita dall’elica). L’altro 20 percento si perde in attrito e slittamento. Per qualsiasi velocità di rotazione, la potenza assorbita dall’elica bilancia la potenza erogata dal motore. Per ogni singola rivoluzione dell’elica, la quantità di aria maneggiata dipende dall’angolo della pala, che determina quanto grande un “morso” d’aria prende l’elica. Pertanto, l’angolo della pala è un ottimo mezzo per regolare il carico sull’elica per controllare il numero di giri del motore.

L’angolo della lama è anche un ottimo metodo per regolare l’AOA dell’elica. Sulle eliche a velocità costante, l’angolo della pala deve essere regolato per fornire l’AOA più efficiente a tutte le velocità del motore e dell’aereo. Le curve di sollevamento contro resistenza, che vengono disegnate per le eliche, così come le ali, indicano che l’AOA più efficiente è piccolo, variando da +2° a +4°. L’angolo effettivo della lama necessario per mantenere questo piccolo AOA varia con la velocità in avanti dell’aereo.

Le eliche a passo fisso e regolabili a terra sono progettate per una migliore efficienza a una velocità di rotazione e avanzamento. Sono progettati per una determinata combinazione di aeromobili e motori. È possibile utilizzare un’elica che fornisce la massima efficienza per il decollo, la salita, la crociera o il volo ad alta velocità. Qualsiasi cambiamento in queste condizioni comporta un abbassamento dell’efficienza sia dell’elica che del motore. Poiché l’efficienza di qualsiasi macchina è il rapporto tra la potenza utile in uscita e l’effettiva potenza in ingresso, l’efficienza dell’elica è il rapporto tra potenza di spinta e potenza del freno. L’efficienza dell’elica varia dal 50 all’87 percento, a seconda di quanto l’elica “scivola”.

Lo slittamento dell’elica è la differenza tra il passo geometrico dell’elica e il suo passo effettivo. [Figure 4-37] Il passo geometrico è la distanza teorica che un’elica dovrebbe avanzare in un giro; Il tono efficace è la distanza che effettivamente avanza. Pertanto, il passo geometrico o teorico si basa su uno slittamento, ma il passo effettivo o efficace include lo slittamento dell’elica nell’aria.

Il motivo per cui un’elica è “torta” è che le parti esterne delle pale dell’elica, come tutte le cose che girano intorno a un punto centrale, viaggiano più velocemente delle porzioni vicino al mozzo. [Figure 4-38] Se le pale avessero lo stesso passo geometrico per tutta la lunghezza, le porzioni vicino al mozzo potrebbero avere AOA negativi mentre le punte dell’elica sarebbero bloccate alla velocità di crociera. La torsione o la variazione del passo geometrico delle pale consente all’elica di operare con un AOA relativamente costante lungo la sua lunghezza durante il volo di crociera. Le pale dell’elica sono attorcigliate per cambiare l’angolo della pala in proporzione alle differenze nella velocità di rotazione lungo la lunghezza dell’elica, mantenendo la spinta più quasi equalizzata lungo questa lunghezza.

Di solito da 1° a 4° fornisce il rapporto di sollevamento/trascinamento più efficiente, ma in volo l’Elica AOA di un’elica a passo fisso varia, normalmente da 0° a 15°. Questa variazione è causata da cambiamenti nel flusso d’aria relativo, che a sua volta deriva da cambiamenti nella velocità dell’aeromobile. Pertanto, l’elica AOA è il prodotto di due movimenti: la rotazione dell’elica attorno al suo asse e il suo movimento in avanti.

Un’elica a velocità costante mantiene automaticamente l’angolo della pala regolato per la massima efficienza per la maggior parte delle condizioni incontrate in volo. Durante il decollo, quando sono richieste potenza e spinta massima, l’elica a velocità costante è ad un angolo o al passo della pala dell’elica basso. Il basso angolo di lama mantiene l’AOA piccolo ed efficiente rispetto al vento relativo. Allo stesso tempo, consente all’elica di gestire una massa d’aria più piccola per rivoluzione. Questo carico leggero consente al motore di girare a regimi elevati e di convertire la massima quantità di carburante in energia termica in un dato tempo. L’alto numero di giri crea anche la massima spinta perché, sebbene la massa dell’aria maneggiata per giro sia piccola, la velocità del numero di giri e della scia è alta e con la bassa velocità dell’aereo, c’è la massima spinta.

Dopo il decollo, all’aumentare della velocità dell’aeromobile, l’elica a velocità costante cambia automaticamente in un angolo (o passo) più alto. Anche in questo caso, l’angolo di lama più alto mantiene l’AOA piccolo ed efficiente rispetto al vento relativo. L’angolo di lama più alto aumenta la massa d’aria maneggiata per giro. Ciò riduce il numero di giri del motore, riducendo il consumo di carburante e l’usura del motore e mantiene la spinta al massimo.

Dopo che la salita al decollo è stata stabilita in un aeromobile avente un’elica a passo regolabile, il pilota riduce la potenza del motore per scalare la potenza diminuendo prima la pressione del collettore e quindi aumentando l’angolo della pala per abbassare il numero di giri.

All’altitudine di crociera, quando l’aereo è in volo livellato e è necessaria meno potenza di quella utilizzata al decollo o alla salita, il pilota riduce nuovamente la potenza del motore riducendo la pressione del collettore e quindi aumentando l’angolo della pala per diminuire il numero di giri. Ancora una volta, ciò fornisce un requisito di coppia per adattarsi alla potenza del motore ridotta. Sebbene la massa dell’aria maneggiata per giro sia maggiore, è più che compensata da una diminuzione della velocità di scorrimento e da un aumento della velocità dell’aria. L’AOA è ancora piccolo perché l’angolo della lama è stato aumentato con un aumento della velocità dell’aria.

4.8.1 Coppia e fattore P #

Per il pilota, la “coppia” (la tendenza alla svolta a sinistra dell’aereo) è composta da quattro elementi che causano o producono un movimento di torsione o rotazione attorno ad almeno uno dei tre assi degli aeroplani. Questi quattro elementi sono: reazione di coppia da motore ed elica, effetto cavatappi della scia, azione giroscopica dell’elica e carico asimmetrico dell’elica (fattore P).

4.8.2 Reazione di coppia #

La reazione di coppia coinvolge la terza legge della fisica di Newton: per ogni azione, c’è una reazione uguale e opposta. Come applicato all’aereo, ciò significa che poiché le parti interne del motore e l’elica ruotano in una direzione, una forza uguale sta cercando di ruotare l’aereo nella direzione opposta. [Figure 4-39]

Quando l’aereo è in volo, questa forza agisce attorno all’asse longitudinale, tendendo a far girare l’aereo. Per compensare la tendenza al rollio, alcuni degli aerei più vecchi sono attrezzati in modo da creare più portanza sull’ala che viene forzata verso il basso. Gli aerei più moderni sono progettati con l’offset del motore per contrastare questo effetto di coppia.

Nota: la maggior parte dei motori degli aerei costruiti negli Stati Uniti ruota l’elica in senso orario, vista dal sedile dei piloti. La discussione qui è con riferimento a quei motori.

In genere, i fattori di compensazione sono fissati in modo permanente in modo da compensare questa forza a velocità di crociera, poiché la maggior parte dell’ascensore operativo dell’aeromobile è a quella velocità. Tuttavia, le linguette di assetto degli alettoni consentono un’ulteriore regolazione per altre velocità.

Quando le ruote dell’aeromobile sono a terra durante il rollio di decollo, un ulteriore momento di rotazione attorno all’asse verticale è indotto dalla reazione di coppia. Poiché il lato sinistro dell’aereo viene forzato verso il basso per reazione di coppia, viene posizionato più peso sul carrello di atterraggio principale sinistro. Ciò si traduce in più attrito del suolo, o resistenza, sul pneumatico sinistro che a destra, causando un ulteriore momento di svolta a sinistra. L’entità di questo momento dipende da molte variabili. Alcune di queste variabili sono: dimensioni e potenza del motore, dimensione dell’elica e giri/min, dimensioni dell’aereo e condizioni della superficie del suolo.

Questo momento di imbardata sul rullo di decollo viene corretto dall’uso corretto del timone o dal rivestimento del timone.

4.8.3 Effetto cavatappi #

La rotazione ad alta velocità di un’elica di un aeromobile fornisce un cavatappi o una rotazione a spirale alla scia. Ad alte velocità dell’elica e bassa velocità in avanti (come nei decolli e negli approcci agli stalli di accensione), questa rotazione a spirale è molto compatta ed esercita una forte forza laterale sulla superficie della coda verticale dell’aeromobile. [Figure 4-40]

Quando questa scia a spirale colpisce la pinna verticale, provoca un momento di svolta attorno all’asse verticale dell’aeromobile. Più compatta è la spirale, più questa forza è prominente. All’aumentare della velocità in avanti, tuttavia, la spirale si allunga e diventa meno efficace. Il flusso a cavatappi del flusso di scorrimento provoca anche un momento di rotolamento attorno all’asse longitudinale.

Si noti che questo momento di rotolamento causato dal flusso di cavatappi della pista di scorrimento è a destra, mentre il momento di rotolamento causato dalla reazione di coppia è a sinistra, in effetti uno potrebbe contrastare l’altro. Tuttavia, queste forze variano notevolmente ed è responsabilità dei piloti applicare sempre un’adeguata azione correttiva utilizzando i controlli di volo in ogni momento. Queste forze devono essere contrastate indipendentemente da quale sia la più importante dell’epoca.

4.8.4 Azione giroscopica #

Prima di comprendere gli effetti giroscopici dell’elica, è necessario comprendere il principio di base di un giroscopio. Tutte le applicazioni pratiche del giroscopio si basano su due proprietà fondamentali dell’azione giroscopica: la rigidità nello spazio e la precessione. Quello di interesse per questa discussione è la precessione.

La precessione è l’azione risultante, o deflessione, di un rotore rotante quando una forza di deflessione viene applicata al suo bordo. Come si può vedere nella Figura 4-41, quando viene applicata una forza, la forza risultante ha effetto di 90° davanti e nel senso di rotazione.

L’elica rotante di un aeroplano produce un ottimo giroscopio e quindi ha proprietà simili. Ogni volta che viene applicata una forza per deviare l’elica dal suo piano di rotazione, la forza risultante è di 90° davanti e nel senso di rotazione e nella direzione di applicazione, provocando un momento di beccheggio, un momento di imbardata o una combinazione dei due a seconda del punto in cui è stata applicata la forza.

Questo elemento di effetto della coppia è sempre stato associato e considerato più prominente negli aerei di tipo a ruota di coda, e il più delle volte si verifica quando la coda viene sollevata durante il tiro di decollo. [Figure 4-42] Questo cambiamento nell’atteggiamento del tono ha lo stesso effetto dell’applicazione di una forza sulla parte superiore del piano di rotazione delle eliche. La forza risultante che agisce di 90° in avanti provoca un momento di imbardata a sinistra attorno all’asse verticale. L’entità di questo momento dipende da diverse variabili, una delle quali è la bruschezza con cui viene alzata la coda (quantità di forza applicata). Tuttavia, la precessione, o azione giroscopica, si verifica quando una forza viene applicata in qualsiasi punto del bordo del piano di rotazione delle eliche; La forza risultante sarà ancora di 90° dal punto di applicazione nel senso di rotazione. A seconda di dove viene applicata la forza, l’aereo viene causato all’imbardata a sinistra oa destra, a lanciare in alto o in basso, o una combinazione di pitching e imbardata.

Si può dire che, a seguito dell’azione giroscopica, qualsiasi sbarramento attorno all’asse verticale si traduce in un momento di beccheggio e qualsiasi beccheggio attorno all’asse laterale si traduce in un momento di imbardata. Per correggere l’effetto dell’azione giroscopica, è necessario che il pilota utilizzi correttamente l’elevatore e il timone per prevenire il beccheggio e l’imbardata indesiderati.

4.8.5 Caricamento asimmetrico (fattore P) #

Quando un aereo vola con un AOA alto, il “morso” della lama in movimento verso il basso è maggiore del “morso” della lama in movimento verso l’alto. Questo sposta il centro di spinta a destra dell’area del disco di scena, provocando un momento di imbardata verso sinistra attorno all’asse verticale. Per dimostrare che questa spiegazione è complessa perché sarebbe necessario lavorare i problemi di vettore del vento su ciascuna lama considerando sia l’AOA dell’aereo che l’AOA di ciascuna lama.

Questo carico asimmetrico è causato dalla velocità risultante, che è generata dalla combinazione della velocità della pala dell’elica nel suo piano di rotazione e dalla velocità dell’aria che passa orizzontalmente attraverso il disco dell’elica. Con l’aereo che vola su un AOA positivo, la lama destra (visto da dietro) o abbassata, passa attraverso un’area di velocità risultante maggiore di quella che interessa la lama sinistra o che oscilla. Poiché la pala dell’elica è un profilo alare, una maggiore velocità significa un aumento della portanza. La lama discendente ha più portanza e tende a tirare (imbardare) il muso dell’aereo a sinistra.

Quando l’aereo vola con un AOA alto, la lama in movimento verso il basso ha una velocità risultante più elevata, creando più portanza rispetto alla lama in movimento verso l’alto. [Figure 4-43] Questo potrebbe essere più facile da visualizzare se l’albero dell’elica è stato montato perpendicolarmente al suolo (come un elicottero). Se non c’era alcun movimento d’aria, tranne quello generato dal

L’elica stessa, le sezioni identiche di ciascuna pala avrebbero la stessa velocità. Con l’aria che si muove orizzontalmente attraverso questa elica montata verticalmente, la pala che procede in avanti nel flusso d’aria ha una velocità d’aria maggiore rispetto alla pala che si ritira con il flusso d’aria. Pertanto, la lama che procede nel flusso d’aria orizzontale sta creando più portanza, o spinta, spostando il centro della spinta verso quella lama. Visualizzare la rotazione dell’albero dell’elica montato verticalmente ad angoli meno profondi rispetto all’aria in movimento (come su un aeromobile). Questa spinta sbilanciata diventa quindi proporzionalmente più piccola e continua a diminuire fino a raggiungere il valore di zero quando l’albero dell’elica è esattamente orizzontale rispetto all’aria in movimento.

Gli effetti di ciascuno di questi quattro elementi di coppia variano di valore con le variazioni delle situazioni di volo. In una fase del volo, uno di questi elementi può essere più prominente di un’altra. In un’altra fase del volo, un altro elemento potrebbe essere più evidente. La relazione di questi valori tra loro varia a seconda dell’aereo, a seconda delle combinazioni della cellula, del motore e dell’elica, nonché altre caratteristiche di progettazione. Per mantenere il controllo positivo dell’aeromobile in tutte le condizioni di volo, il pilota deve applicare i controlli di volo secondo necessità per compensare questi valori variabili.