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La scienza in pillole – Il principio di azione e reazione e la propulsione

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La scienza in pillole – Il principio di azione e reazione e la propulsione

10 Marzo
14:36 2010

Risposte brevi a domande importanti

Il principio di azione e reazione o terzo principio della dinamica, formulato da Isaac Newton, asserisce che un corpo che subisce da un altro un’azione reagisce su quest’ultimo con un’azione uguale e contraria, vale a dire con una forza che ha la stessa direzione e la stessa intensità ma verso contrario: «Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi». Su questo semplice principio poggia il funzionamento di qualunque sistema di propulsione ‘attivo’, che è quindi sempre ‘a reazione’. Tuttavia, convenzionalmente in senso restrittivo, si parla di ‘propulsione a reazione’ o ‘a getto’ quando per generare la spinta propulsiva per reazione si utilizza un fluido captato dall’esterno e proiettato all’indietro a velocità molto superiore rispetto a quella d’ingresso, partecipando esso stesso al ciclo termodinamico che trasforma calore nell’energia meccanica necessaria ad accelerare il fluido. Il caso più semplice di propulsione è il camminare: con i piedi esercitiamo sul terreno una forza orizzontale all’indietro che, grazie all’attrito, ci viene restituita dal terreno in avanti, come reazione. Su un piano totalmente privo d’attrito non potremmo camminare. Quando nuotiamo spingiamo indietro l’acqua con le mani e i piedi: l’acqua spostata ci ricambia con una spinta in avanti della stessa intensità. Una barca si muove grazie ai remi o all’elica, che esercitano sull’acqua una spinta all’indietro, cui corrisponde una spinta di uguale intensità esercitata in avanti dalla massa d’acqua spostata. Un aereo ad elica, analogamente, sposta all’indietro una certa massa d’aria tramite la rotazione dell’elica e lo svergolamento delle sue pale, ricevendo da tale massa d’aria una spinta in avanti di uguale intensità: il suo funzionamento è simile a quello di una vite che si avviti nell’aria. La navigazione o il volo a vela sono, invece, sistemi di propulsione ‘passivi’. Particolarmente interessanti sono i vari tipi di propulsori impiegati in campo aeronautico e spaziale. Se il volo avviene entro l’atmosfera vengono utilizzati propulsori a getto di vario tipo: statoreattore, turboreattore (a flusso semplice e doppio), turboelica, turbostatoreattore. Nello statoreattore il ciclo termodinamico che realizza la trasformazione di calore in energia meccanica, viene effettuato sul fluido senza organi ruotanti. La caratteristica dello statoreattore è di generare la spinta quando raggiunge una velocità minima, per cui non consente il decollo e può funzionare soltanto quando il veicolo è portato a quella velocità minima da un altro tipo di propulsore. Nel turboreattore, invece, il ciclo termodinamico è realizzato con organi ruotanti (in genere una turbina a gas) ed è possibile il decollo da fermo. Il turboelica realizza una spinta che per l’85- 90 % è dovuta alla massa d’aria spostata indietro dall’elica e per il restante 15-10 % è prodotta dal getto dei gas di scarico. Il turbostatoreattore riunisce le caratteristiche del turboreattore e dello statoreattore: al decollo funziona soltanto come turboreattore, mentre a velocità molto elevate (circa 5 Mach, cioè 5 volte la velocità del suono) la parte rotante viene disattivata e il propulsore funziona come statoreattore. Se, invece, il volo avviene nello spazio interplanetario ‘vuoto’, il fluido che espulso posteriormente genera per reazione la spinta propulsiva non può essere prelevato dall’esterno, bensì dev’essere portato a bordo: in tal caso si parla di propulsione a razzo. A seconda del sistema con cui viene fornita energia meccanica al fluido, si hanno diversi tipi di razzi: razzo chimico, razzo nucleare, razzo a isotopi, razzo solare, razzo ad arco, razzo a ioni, razzo a plasma.

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