Effetto Coandă

L'effetto Coandă è la tendenza di un getto di fluido a seguire il contorno di una superficie vicina. Il fenomeno deve il suo nome al pioniere dell'aerodinamica rumeno Henri Coandă che, sebbene non il primo ad osservare tale effetto, brevettò nel 1936 prima in Francia e poi negli Stati Uniti alcuni strumenti che ne sfruttavano la proprietà di deviare un getto.

Descrizione e dimostrazione

Getto attorno ad un cilindro circolare.

Il fluido, muovendosi lungo la superficie provoca attrito, che tende a farlo rallentare. La resistenza al movimento del fluido viene applicata però solo alle particelle di fluido immediatamente a contatto con la superficie. Le particelle di fluido esterne, a causa delle interazioni molecolari che tendono a tenerle unite a quelle interne, cambieranno direzione dunque verso di esse a causa della differenza di velocità, facendo quindi aderire il fluido alla superficie stessa.

L'effetto può anche essere dimostrato matematicamente a partire dall'integrazione delle equazioni di Eulero nella direzione normale a una linea di flusso curva.

Trascurando le forze gravitazionali, si ottiene infatti da queste un gradiente di pressione:

$\frac {\partial p} {\partial r} =\rho \frac {v^2} {r}$

in cui ρ è la densità del fluido, v la velocità ed r è il raggio di curvatura della linea di flusso. Alla stessa formula si perviene considerando l'equilibrio radiale di un elemento infinitesimo come quello in figura: la differenza di pressione deve equilibrare la forza centrifuga.

Tale termine, essendo sempre maggiore di zero, denota l'esistenza di gradienti di pressione in direzione normale alle linee di flusso curve e diretti verso l'esterno. Concretamente ciò significa che la pressione aumenta allontandosi dal centro di curvatura spingendo dunque il fluido verso di esso.

Più correttamente, dal momento che parliamo di equazioni differenziali, la condizione al contorno relativa alla pressione ci arriva dall'esterno del fluido (è vincolata la pressione all'esterno di questo strato viscoso mentre quella nel punto di contatto con la superficie può essere qualsiasi), per questo è più corretto descrivere la variazione di pressione come una diminuzione della stessa avvicinandosi alla superficie se questa è convessa, viceversa come un aumento della pressione se ci si avvicina ad una superficie concava. Questo modo di vedere le cose mette in luce un chiaro limite (se pur teorico e irraggiungibile) all'entità dell'effetto Coandă per le superfici convesse, il quale chiaramente non può portare le pressioni assolute al contatto con la superficie ad essere negative.

Tale diminuzione della pressione all'avvicinarsi della superficie giustifica quindi il fenomeno di attaccamento del flusso attorno a una parete noto appunto come effetto Coandă, fino a che la viscosità non provoca fenomeni di separazione e quindi la variazione di curvatura delle linee di corrente.

Gli aeroplani volano in condizioni di alta incidenza in parte grazie anche a questo effetto, il quale tende a far rimanere il flusso aerodinamico aderente al dorso dell'ala, ritardando lo stallo.

Le stesse considerazioni possono essere ricondotte nel caso delle ali rotanti quali eliche degli aeroplani e degli elicotteri. È però scorretto affermare che il volo di un aereo avvenga grazie all'esitenza dell'effetto Coanda. Si ricorda infatti che in condizioni di volo normale l'effetto Coanda incide in maniera piuttosto negativa sull'aerodinamica generale del velivolo essendo la causa della quasi totalità dell'intera resistenza d'attrito generata in regime subsonico.

Per anni infatti, in primis la NASA, ha cercato tramite idonei studi di risolvere il problema dello strato limite, lo strato d'aria aderente alla superficie bagnata dal flusso nel quale le molecole d'aria sono rallentate rispetto al flusso esterno e scorrono su quelle aderenti alla superficie e quindi a velocità nulla con notevole creazione di resistenza aerodinamica.

Furono allo scopo studiati sistemi di aspirazione tremite microfori diffusi lungo l'intero bordo di attacco alare allo scopo di eliminare in modo continuo ed istantaneo lo strato infinitesimale di aria ferma adernte alla superficie del bordo d'attacco, di fatto la zona generatrice delle resistenze più intense.

L'esempio del cucchiaio

Un cucchiaio ed un getto d'acqua: il fluido segue il contorno della superficie sulla quale incide (in questo caso, l'acqua segue il profilo di un cucchiaio).

Avvicinando sufficientemente un cucchiaio da cucina ad un getto d'acqua, il getto verrà deviato verso la superficie del cucchiaio: infatti se una corrente d’acqua scorre lungo una superficie solida che è leggermente curva (convessa), l’acqua tende a seguire tale superficie. Tenendo il cucchiaio in modo tale che possa oscillare, lo si può sentire chiaramente attratto verso il getto.

Applicazioni

Una illustrazione del brevetto di Coandă

Illustrazione dell'Avro Canada VZ-9-AV Avrocar un progetto di aeromobile avente un profilo che accentuerebbe l'effetto Coandă.

Alcuni studi mirano a utilizzare l'effetto Coandă per sviluppare aeromobili con profili particolari, alcuni modelli assomigliano vagamente ai dischi volanti dei film di fantascienza. Il vantaggio di questi aeromobili sarebbe la loro manovrabilità e la loro capacità di volteggiare in aria.

Voci correlate

• Aerodinamica
• Fluidodinamica
• Motoreattore

Altri progetti

• Commons

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Collegamenti esterni

• L'effetto Coandă descritto dal suo scopritore
• A page with a video of the Coandă effect in action
• Information on the patents of Coanda
• New UK based UAV project utilising the Coandă effect
• Report on the Coandă Effect and lift
• How to see the Coandă effect at home (www.physics.org comic)

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