Myth Busters: Un aereo su tapis roulant decolla?

[Paolo_61]

Negativo, non decolla.

Scusa, perché non decolla? Rispetto al sistema di riferimento "aria" non cambia nulla, non ha un vento relativo in coda, o sbaglio?

[Aldus]

Io la interpreto in questo modo.

-Suolo che retrocede alla stessa velocità di decollo. (l'esperimento fatto dai Myth Buster)
L'aereo viene tirato dall'elica.
Le ruote in folle girano in avanti a velocità doppia rispetto al suolo fermo.
Essendo le ruote in folle non oppongono (trascuriamo gli attriti) resistenza al moto.
L'aereo decolla con le ruote che girano semplicemente al doppio di velocità del normale, e con le ruote che girano comunque nel senso di avanzamento del mezzo.

- Suolo fermo. (decollo tradizionale...esempio...decollo 80 nodi, terreno 0 nodi)
L'aereo viene tirato dall'elica.
Le ruote girano in folle in avanti perchè (ovviamente) stanno a contatto col suolo, quindi devono girare in direzione di decollo.
In questo caso dunque basta l'elica per tirare l'aereo.
Le ruote assecondano semplicemente il movimento in avanti girando in avanti.

- Suolo che avanza alla stessa velocità dell'aereo. (esempio, decollo 80 nodi, terreno 80 nodi in avanti)
L'aereo viene tirato dall'elica.
L'aereo accelera trascinato dall'elica, le ruote (che sono a contatto col suolo) non girano nel senso di avanzamento, sono ferme perchè velocità di decollo e velocità del terreno sono fra loro pari a zero.
In questo caso ancora basta l'elica per tirare l'aereo.
Le ruote è come se non ci fossero, come se ci fossero dei mattoni ancorati su un terreno mobile che però, (fortunatamente) procede alla stessa velocità di decollo dell'aereo e nella stessa direzione.

- Suolo che avanza al DOPPIO della velocità dell'aereo, in direzione dell'aereo. (esempio, decollo 80 nodi, terreno 160 nodi in avanti)
L'aereo viene come sempre tirato dall'elica.
Le ruote (che naturalmente sono a contatto col suolo) si ritrovano col suolo sotto che avanza a velocità doppia rispetto al decollo, fanno grip, e, trascinate dal terreno che corre via a velocità doppia, sono obbligate a girare in senso rotativo opposto rispetto alla direzione di decollo (perchè l'elica non ce la fa a compensare, può "tirare" l'aereo solo fino a 80 nodi, ma il terreno in realtà corre in avanti al doppio, a 160 nodi, costringendo le ruote a girare velocemente a senso inverso).

Dato che questo movimento rotatorio è all'indietro (in sostanza, l'elica tira da una parte con tot velocità, ma le ruote girano dalla parte opposta con tot velocità), le due forze di equilibrano.
L'elica vorrebbe ovviamente tirarsi dietro l'aereo, ma vorrebbe anche che le ruote girassero nel senso giusto di avanzamento (mi sembra logico no?) senza opporre resistenza.
Invece le ruote stanno facendo di più che opporre resistenza: tirano al contrario, non stanno girando nel verso dell'avanzamento, ossia, prendendo energia dal terreno (tramite il loro grip) che corre a 160 nodi in avanti, le ruote divengono come dei "motori a parte" che ruotando al contrario tentano disperatamente di "tirare indietro l'aereo".
I due movimenti quindi sono uguali e contrari, le due forze si annullano, e l'aereo rimane fermo impalato col motore a manetta (a meno che di mettere dell'olio sotto le ruote per fargli perdere grip e farle scivolare dalla loro presa a "marcia indietro").


Io la vedo così, ma potrei anche sbagliarmi.
Secondo me l'aereo non può decollare in quel modo perchè gli viene a mancare la condizione per cui le ruote, anche se in folle, devono girare nel verso di avanzamento dell'aereo, o al massimo stare ferme (velocità zero).
Ma mai girare al contrario.
Se girano al contrario come diamine fa l'aereo ad avanzare (lo dice la parola, avanzare)?
La corsa di decollo, elica sì o elica no, non può avvenire perchè un aereo quando decolla sta sulle sue ruote, corre sulle sue ruote, e le ruote fanno grip al suolo, non si può ignorare questa cosa (l'aereo non è un hovercraft: lì non c'è grip, con l'aereo il grip c'è).
Se le ruote girano nel senso giusto di marcia (non importa a quale velocità) allora va bene, il decollo è sempre possibile, non ci sono problemi.
Ma se le ruote girano in controsenso, il decollo non è più possibile, a meno che di avere un motore-elica tanto potente da vincere il tapis roulant e strusciarsi dietro le ruote facendole fumare.

[DragonFly]

Avete ragione voi
Mi sono sbagliato... il ragionamento che ho seguito valeva per un problema simile che avevo trovato su un sito qualche mese fa ma che formulava condizioni diverse sulla velocità del rullo rispetto alle ruote dell'aereo (se non ricordo male uguale alla velocità periferica).
Tra l'altro usando un approccio diverso con un bilanciamento di forze si arriva alla conclusione che per far accelerare l'aereo è sufficiente che la spinta dei motori sia semplicemente maggiore delle varie forze d'attrito (cosa sicuramente vera anche con una velocità delle ruote doppia, finchè le ruote non scoppiano!).
Avrei dovuto leggere meglio le ipotesi nel primo post...

io la pensavo esattamente come te, per quello ho aperto il post iniziale e avevo non pochi dubbi...ho aspettato di leggere alcune conclusioni ed effettivamente anch'io non avevo pensato al fatto che le ruote possono girare liberamente a velocità doppia rispetto a quella standard per effetto del tapis roulant!
Ho immaginato al posto delle ruote, o dell'hovercraft, i classici pattini per decollo sulla neve.....è stato + facile capire che l'aereo verrebbe comunque spinto in avanti dall'elica e che l'attrito ruote-suolo anche se "annullato" dall'azione del tappeto non è comunque responsabile del fatto che l'aereo si alzi in volo.

[KrahS]

Secondo me ti sbagli alla grande...
La cosa principale da considerare in questi casi è il sistema di riferimento.
Prima di tutto bisogna distinguere fra il caso IDEALE, cioè quello in cui l'attrito delle ruote con l'asfalto e con i mozzi del carrello dell'aereo sia nullo, e quello REALE in cui tale attrito c'è. Questa distinzione porta a due differenti considerazioni.
Partiamo dal caso IDEALE come si dovrebbe fare in ogni problema di fisica!!!
L'aereo fa parte di un sistema aereo-aria e non c'entra nulla la pista sottostante poichè esso non interaggisce con il velivolo. L'assenza di attrito non permette lo scambio di forze fra asfalto e aereo. Ricordo che siamo nel caso IDEALE quindi ipotetiche forze d'attrito che vengono trasmesse dalla pista alle ruote non ci sono e il carrello e dunque l'aereo non risente di nulla.
Questo è il caso IDEALE percui sarà difficile da accettare dato che in pratica ciò non si verifica mai e quindi per esperienza si fa fatica a crederci, ma una ruota senza attrito non ruoterebbe, anzi scivolerebbe.
In pratica nel caso IDEALE se il suolo è fermo o se si muove in avanti oppure all'indietro l'aereo non noterebbe la differenza. Tornando al sistema aereo-aria dunque, come sapete tutti agiscono solo le 4 forze principali: spinta dell'elica, resistenza dell'aria al moto, portanza e peso. Dunque la spinta farà muovere in avanti il velivolo fino al raggiungimento della velocità di Take Off.
Penso di essere stato abbastanza chiaro per il caso ideale, perciò passo al caso REALE.
Bisogna tener conto dunque dell'attrito generato dalle ruote. Esso permette alle ruote di ruotare. Credo che siate tutti d'accordo se considero il fatto che le ruote siano sufficientemente adeguate per i nostri scopi, e con questo dico che siano composte da materiali sufficientemente resistenti da resistere anche a rotazioni con velocità molto elevate e abbastanza aderenti con la pista da non perdere mai la pura rotazione, ovvero senza mai strisciare. In questo caso dunque il sistema diventa terra-aereo-aria, ma solo nel senso che oltre alle 4 forze sopracitate si aggiunge l'attrito. Quindi, quando la spinta dell'aereo sarà sufficiente per contrastare la resistenza dell'aria più l'attrito dato dal suolo e portarlo alla velocita di TO l'aereo volerà, chiaramente con una spinta sicuramente superiore rispetto al caso ideale.
Poichè sono solo queste le forze in gioco dobbiamo partire da queste per un'analisi su ciò che comporta il movimento del suolo. Se il suolo si muove oppure no influenza solo il valore dell'attrito. Essendo chiaro ciò che succede se il suolo è fermo pensiamo agli altri due casi.
Prima di tutto mettiamo in chiaro una cosa: l'aereo deve raggiungere una velocità rispetto all'aria e non rispetto alla pista. Tuttavia però l'attrito che viene generato fra la pista e le ruote e quindi il velivolo si oppone alla spinta.
Se l'attrito fra le ruote e la pista è così forte da resistere a qualsiasi velocità fra i due, basterebbe che la velocità della pista fosse la stessa in modulo ma opposta in verso rispetto alla velocità a cui è arrivato l'aereo nel caso di prima per farsi che l'aereo rimarrebbe fermo. Infatti nel mozzo degli pneumatici si avrebbero la somma fra la velocità del velivolo rispetto al suolo mobile e la velocità del suolo mobile, che quindi si annullerebbero. In pratica il suolo si sposta all'indietro, le ruote girano al doppio della velocità precedente e l'aereo è fermo con il motore che spinge. Se il pilota da un pò più di spinta la differenza di velocità sarà positiva e l'aereo tende ad andare in avanti, aumentando ancora può raggiungere la velocità di TO.
Se però, il suolo mobile può raggiungere qualsiasi velocità relativa del velivolo, questo non potrà mai raggiungere una velocità rispetto all'aria utile per generare abbastanza portanza e decollare.
Se preferite potete vederlo come un problema di sistemi di riferimento. Se siete all'interno del suolo mobile che si muove con velocità costante, e non del resto della terra, voi sarete fermi ma visti da fuori vi spostate all'indietro. Osservando l'aereo vi sembrerà che si sposta in avanti con la velocità doppia rispetto al caso precedente, ma da fuori basta fare la somma delle due velocità per vedere che essendo di verso contrario si annullano.
Per questo è sbagliato considerarlo come il caso del hovercraft. Questo infatti sfrutta il fatto che può essere considerato senza attrito e dunque è simile al caso ideale.
Nel filmato è chiaro che l'aereo vola, dato che il "telo tapis roulant" sicuramente non andrà ad una velocità crescente come quella dovuta alla spinta dell'aereo e per di più l'attrito fra ruote e telo non sarà massima. Infatti se consideriamo una situazione più pratica ad un certo punto si avrà o che la spinta è maggiore della velocità del tapis roulant, oppure che l'attrito non è in grado di mantenere il puro rotolamento e quindi cominciando a strisciare e a saltarellare il moto si sposta sempre più in aria.
Infine consideriamo il caso in cui il suolo mobile si sposta in avanti. Se l'aereo fosse fermo e solidale con il suolo mobile, basterebbe che il suolo raggiungesse la velocità di TO perchè questo comincerebbe a staccarsi dal suolo. Infatti la velocità rispetto all'aria, necessaria per generale abbastanza portanza rispetto al peso è raggiunta. Quindi se aiutata dal motore penso che lo raggiungerebbe ancora prima.

[Almost Blue]

Quindi, se non c'è vento, sarebbe un aereo con velocità rispetto al suolo mettiamo pari a 100 e velocità rispetto all'aria pari a zero.

[Slowly]

Scusate.

Sostituiamo l'aereo con un elicottero, così decolliamo tranquilli felici, e non ci pensiamo più?

[KrahS]

Si... però devi specificare cosa intendi per suolo... infatti se intendi il suolo mobile ovvero il tapis roulant ok, altrimenti sbagli. Infatti visto dal difuori vedrai l'aereo fermo perchè l'attrito dato dal suolo mobile che va all'indietro gli conferisce una forza verso dietro e la spinta del motore in avanti, quindi se le due sono uguali dal difuori lo vedi fermo e quindi rispetto all'aria che è ferma sarà immobile.
In pratica però non si riuscirà mai a verificarsi un caso del genere, ma l'aereo tenderà sempre a decollare. Infatti devi considerare che c'è bisogno di un attrito perfetto, basta che si perde un pò di aderenza e il rotolamento non è più puro ma comincia anche a strisciare, per di più le superfici non sono perfettamente rigide, quindi tendono a solbazzare distaccandosi dal suolo, in più considera che si parla di alte velocità. Insomma non si potranno mai verificare le condizioni teoriche per la riuscita dell'esperimento!!!

[Almost Blue]

Infatti per suolo intendevo il tapis roulant. Se non c'è vento e l'aria sopra è ferma e il tapis roulant scorre all'indietro a mettiamo 100, allora la velocità al suolo sarebbe 100. La velocità all'aria invece sarebbe nulla, perchè l'aereo non si muove.
In questa condizione io credo che l'aereo non possa decollare: la forze traente dell'elica indurrebbe le ruote a rotolare in avanti, ma questo rotolamento sarebbe ridotto a zero dal tapis roulant, quindi la trazione dell'elica andrebbe dissipata.

[Aldus]

Negativo.
Le ruote girano in folle, non fanno parte della trazione.
Dimentica il tappeto rotolante e pensa a una pista di asfalto.
L'elica tira l'aereo (perchè è solo lei a tirare l'aereo!), e le ruote assecondano il movimento girando in folle in avanti.
Se la pista è ferma supponiamo che l'aereo decolla normalmente con le ruote che girano a 1000 giri al minuto (ruotando nello stesso senso di avanzamento dell'aereo).
Se la pista scorre all'indietro l'aereo decolla lo stesso, ma con le ruote che semplicemente girano a 2000 giri al minuto, ruotando nello stesso senso di avanzamento.
Dato però che il complesso ruota/asfalto introduce un attrito, l'aereo che decolla con la pista che scorre all'indietro è costretto a dare un po' più di motore.
Ma solo "un po' di più" eh, non il doppio.
Non c'è nessuna ragione per cui l'aereo deve dare doppia potenza per decollare.
Perchè?
Perchè le ruote sono in folle, girano, rotolano.
E per loro è ininfluente girare a 1000 giri o a 2000 giri.
Non sono le ruote a fare trazione, è l'elica a tirare l'aereo in avanti, solo lei (in volo come avviene la trazione? chi la fornisce?).
Le ruote semplicemente assecondano il movimento in avanti, rotolando (a seconda dei casi) alla velocità normale, doppia, tripla, quello che è (tanto sono in folle, loro devono solo rotolare).

[Almost Blue]

Non so che dire.
La mia è una specie d'impressione. Se la velocità dell'aereo rispetto all'aria e zero e non c'è vento nè correnti e quindi l'aria è tutta ferma, come fà l'aereo a far incrementare la sua velocità rispetto all'aria se tutta la forza dell'elica viene dissipata dal tapis roulant è c'è già la massima velocità rispetto al suolo? Tradotto (non so se è azzeccato): se decido di fare un gran salto, come gli atleti di salto triplo per esempio, io dò una bella spinta a terra, ma se sta spinta non la posso dare perchè non ho dove appoggiare i piedi, o il tappeto mi viene sfilato di sotto, io il salto come lo faccio?

[Paolo_61]

Non so che dire.
La mia è una specie d'impressione. Se la velocità dell'aereo rispetto all'aria e zero e non c'è vento nè correnti e quindi l'aria è tutta ferma, come fà l'aereo a far incrementare la sua velocità rispetto all'aria se tutta la forza dell'elica viene dissipata dal tapis roulant è c'è già la massima velocità rispetto al suolo? Tradotto (non so se è azzeccato): se decido di fare un gran salto, come gli atleti di salto triplo per esempio, io dò una bella spinta a terra, ma se sta spinta non la posso dare perchè non ho dove appoggiare i piedi, o il tappeto mi viene sfilato di sotto, io il salto come lo faccio?

Il punto è che la velocità rispetto all'aria non è zero. L'elica svolge normalmente la sua funzione, quindi fa avanzare l'aereo rispetto all'aria (che è l'unico sistema di riferimento che interessa in questo caso). La differenza rispetto a una pista "ferma" è solo che le ruote sono costrette a compiere un percorso più lungo (girare più velocemente) perché all'avanzamento dell'aereo si somma il movimento del tappeto. Ma considerando che l'attrito fra mozzo e portamozzo è minimo per definizione, questa maggiore velocità di rotolamento degli pneumatici non ha una sostanziale influenza sulla corsa di decollo.
Forse può chiarirti la situazione pensare ad un aereo che decolla con i pattini da una superficie ghiacciata, così da eliminare l'impressione che le ruote svolgano una qualunque funzione diversa dal sostenere l'aereo.

[KrahS]

Ripensandoci bene... e questa volta veramente bene... mi sono accorto di aver detto una bella cacata...

Prima voglio dire che l'aereo vola a prescindere della velocità del tapis roulant e dal motore più o meno potente.

Il primo pensiero è quello di vedere l'analogia con la macchina che si trova sul tapis roulant. E' chiaro a tutti che essa rimane ferma. Per fortuna però una aereo e un'automobile funzionano diversamente. Le ruote della macchina "spingono" la strada all'indietro ed essa si muove in avanti. Al contrario le ruote dell'aereo non sono motorizzate, il loro scopo è quello di ridurre l'attrito durante il decollo. Il velivolo si sposta in avanti semplicemente perchè i motori spingono l'aria all'indietro. Il concetto base su cui si fonda erroneamente il discorso (o per lo meno il mio) è che tali ruote generano un attrito che in teoria potrebbe essere sufficiente a contrastare la spinta. Bene questo è impossibile. E' vero che esse generano una forza d'attrito che si oppone alla spinta e di cui bisogna tener conto per un'analisi completa, ma questa non dipende dalla velocità con cui ci si sposta, bensì solo dal peso del velivolo e dal coefficiente d'attrito che dipende dalle superfici in gioco, ovvero gomma-asfalto. Se l'aereo si muove con velocità pari a 50 o con velocità pari a 100 tale forza è uguale. Quindi se l'aereo è normalmente in grado di vincere tale attrito e spostarsi in avanti per decollare, anche se il suolo si muove non cambia nulla, la forza d'attrito è sempre la stessa. L'unica cosa differente è la velocità con cui rotolano le ruote, ma questa non influenza minimamente il moto del velivolo.
Quindi mi scuso per il grosso errore che ho commesso in precedenza!!!!

[Aldus]

Non so che dire.
La mia è una specie d'impressione. Se la velocità dell'aereo rispetto all'aria e zero e non c'è vento nè correnti e quindi l'aria è tutta ferma, come fà l'aereo a far incrementare la sua velocità rispetto all'aria se tutta la forza dell'elica viene dissipata dal tapis roulant è c'è già la massima velocità rispetto al suolo? Tradotto (non so se è azzeccato): se decido di fare un gran salto, come gli atleti di salto triplo per esempio, io dò una bella spinta a terra, ma se sta spinta non la posso dare perchè non ho dove appoggiare i piedi, o il tappeto mi viene sfilato di sotto, io il salto come lo faccio?

Non è così.
Nel tuo esempio la spinta (ossia la trazione) te la dai con i piedi.
Se il terreno ti scivola via sotto i piedi non puoi darti spinta in avanti, o meglio, la spinta te la dai eccome lo stesso, ma rimani fermo sul posto, non avanzi (tipo scala mobile al contrario per intenderci).
Ma nell'aereo la trazione non la dà il gruppo ruote.
E' l'elica che tira l'aereo, è solo e sempre l'elica che fa avanzare l'aereo.

Ti faccio un esempio che pone fine alla questione.
Automobile VS aereo.
Cosa succede se metto un automobile sulla strada e dò tutto gas?
Avanzo.
Ora, al posto dell'asfalto mettiamo un lastra di ghiaccio scivolosissimo e levigatissimo.
Cosa succede all'automobile quando dò tutto gas?
Sto fermo impalato perchè slitto.
Ci siamo fin quì?
Bene.
Adesso facciamo la stessa identica cosa con l'aeroplano!
Iniziamo con l'asfalto.
Cosa succede all'aereo (sull'asfalto) quando dò tutta manetta?
Avanzo e decollo.
Ora mettiamoci sotto una lastra di ghiaccio scivolosissimo e levigatissimo.
Cosa succede all'aereo quando dò tutta manetta?
Avanzo e decollo, esattamente come prima!
Non sto fermo.
Avanzo e decollo.

Ora credo che hai capito la differenza che c'è tra automobile e aeroplano.