Perchè i motori degli aerei sono così grandi?

I motori jet degli aeroplani dagli anni 50 ad oggi sono diventati sempre più grandi e non è solamente perchè gli aerei stesso hanno dimensioni maggiori. L’Airbus A350 è più piccolo del Boeing 747, ma i suoi singoli motori sono più grandi. Il motivo è che con le dimensioni dei motori aumenta anche la loro efficienza, fino ad un certo limite, questo video del canale MinutePhysics spiega come.

I moderni motori jet degli aerei sono costituiti da due sistemi di propulsione che lavorano assieme, Il nucleo del motore stesso, che genera la potenza del motore ed una piccola percentuale di spinta, e l’elica, messa in moto dal nucleo del motore e che genera la maggior parte della spinta. Motori jet che utilizzano solamente la spinta “Jet” (letteralmente “getto”) possono essere incredibilmente potenti, motivo per il quale sono usati per gli aerei da combattimento, ma sono anche estremamente inefficienti, in quanto espellono il loro scarico ad incredibile velocità.

Questo è dovuto al fatto che l’energia cinetica (ovvero l’energia di un oggetto in movimento, quale lo scarico) è proporzionale alla velocità al quadrato (E=1/2*(mv^2) dove E è l’energia cinetica, m è la massa e v è la velocità), quindi per accelerare lo scarico ad una velocità del doppio rispetto a quella iniziale bisogna utilizzare 4 volte la quantità di energia (v=2 , v^2=4). In cambio di maggior potenza sprecano un’incredibile quantità di energia nella forma di aria riscaldata.

Anche i motori degli aerei di linea devono muovere dell’aria per generare spinta, ma quest’aria non deve necessariamente avere molta energia cinetica. Al posto di accelerare poca aria a grandi velocità, si può ottenere la stessa spinta accelerando molta aria (molta materia) ad una velocità minore. La spinta, è data dalla variazione di pressione creata dal motore, ovvero dalla quantità di aria spostata. Motori Jet possono ottenere la stessa variazione di pressione muovendo poca aria ad alta velocità o molta aria a velocità più bassa, ma l’energia che si utilizza in quest’ultimo caso è molto minore. Il rapporto tra l’energia cinetica e la massa è lineare e non al quadrato come la velocità (come prima E=1/2*(mv^2). Per muovere due volte una massa alla stessa velocità è necessario il doppio dell’energia cinetica).

In sostanza, se il motore fosse troppo piccolo, dovrebbe accelerare l’aria a velocità enormi per ottenere la spinta necessaria, come se si volesse utilizzare un fucile per far muovere un’auto. Se però il motore diventa troppo grande può creare un’eccessiva resistenza, la soluzione migliore è una misura che sta nel mezzo. Una stima approssimativa indica che la dimensione ideale di un motore è di circa 4 metri di diametro, solo leggermente più grande dei motori attualmente utilizzati. Possiamo quindi aspettarci che le dimensioni dei motori degli aerei aumenteranno ancora, ma non all’infinito.

 

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