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 I paracadute dei palloni-sonda
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(traduzione di Aki IZ0MVN)

Vedere anche: Lancio d'una radiosonda - Gli svolgitori di cordicella - Gli involucri dei palloni-sonda - Idées pour une exposition : la chute et la résistance de l'air - Présentation de parachutes pour une exposition (F) - La decodifica delle radiosonde -
e più in particolare: principe de calcul de la trajectoire de chute par itérations (F) - l'ouverture du parachute (F) - calcul de la trajectoire de chute complète d'un ballon (F) -

Dopo lo scoppio, la caduta

Immediatamente dopo lo scoppio del pallone che lo sosteneva, il contenitore della radiosonda o del pallone-scuola inizia una caduta la cui velocità si stabilizza qualche centinaio di metri più in basso.
Questa velocità di caduta dipende allo stesso tempo dal peso del dispositivo e dalla resistenza che esso offre all'aria nella quale si muove. Si può dire che la velocità è stabilizzata quando questo peso, prodotto della massa del dispositivo per l'accelerazione di gravità, è uguale alla forza esercitata dall'aria. Per abbassare la velocità di caduta ad un valore infériore a 5m/s (300m/min) le radiosonde sono generalmente munite di un paracadute tanto più grande quanto più è grande la massa del dispositivo. Questo paracadute è una semplice precauzione poiché, salvo casi eccezionali, i danni causati da una radiosonda sono da temere infinitamente meno di quelli provocati da una tegola divelta dal vento.

 
 Radiosonda di Brest del 17/07/2010 fotografata poco prima dell'impatto da Nicolas F4BJW a Pontchâteau (44). Sopra la corolla si vede galleggiare la cordicella del pallone e i resti (molto limitati) della pellicola. L'oggetto bianco sospeso sotto il cerchio anti-torsione è lo svolgitore di cordicella.    Questo paracadute perfettamente dispiegato era integrato nella pellicola di cui si vedono i notevoli residui. Questa bellissima foto della RS92SGP d'Emden (DL) è stata scattata da Eric (PA).


Origine

Un paracadute è un dispositivo aggiunto ad un oggetto o a un essere vivente per limitare la sua velocità di caduta nell'aria. La natura non ha atteso che l'uomo lo inventasse, per dotare gli scoiattoli di una folta coda o i semi di dente di leone di un piccolo piumino. Per quanto, in questo ultimo caso, lo scopo è soprattutto di aiutare il vento a trascinare i semi in quota per meglio portarli a germogliare altrove.
Finché l'uomo non è stato capace di sollevarsi molto in alto, al di sopra del suolo, egli non si è veramente preoccupato di ridiscendere lentamente.



Storia

Benché non sia stato senza dubbio il primo a riflettere sull'argomento, Leonardo da VINCI immaginò a suo tempo un paracadute di forma piramidale ma è solo due secoli più tardi che un prototipo, che ha evitato al suo ideatore di schiantarsi al suolo, fu costruito e sperimentato da Sébastien LENORMAND che si gettò dall'alto di una torre dell'osservatorio di Montpellier il 26/12/1783. Comunque riuscito, l'esperimento non fu ripetuto. La paternità del paracadute viene attribuita generalmente ad André-Jacques GARNERIN poiché egli non si contentò di depositare un brevetto ma provò lui stesso la sua invenzione il 22 ottobre 1797 (incisione qui riportata). Il prototipo non prevedeva allora il camino e mancava di stabilità.
Ma, cento anni più tardi, c'erano ancora inventori più o meno incoscienti e incompetenti da lanciarsi dal primo piano della Torre Eiffel e scavare la loro fossa ai loro piedi (20 cm di profondità per un sarto volante che provò il suo mantello-paracadute).
Sono gli aeronauti, quelli che hanno beneficiato per primi dei paracadute. Per la maggior parte delle volte gonfiati ad idrogeno, i palloni erano spesso poco affidabili e gli incidenti mortali frequenti. Certo, il paracadute non è una assicurazione sulla vita, poiché ha bisogno di qualche decina ovvero di qualche centinaio di metri per aprirsi e frenare la caduta di colui che vi è agganciato ma gli osservatori dei palloni vincolati da osservazione, incaricati di sorvegliare i movimenti di truppe nemiche durante la prima guerra mondiale, erano contenti di poter lasciare il loro pallone in difficoltà quando esso era stato fatto precipitare da un aeroplano nemico. Solo verso la fine della guerra anche gli stessi aviatori poterono beneficiare della sicurezza di un paracadute.

Principio generale

Se la Terra fosse priva di atmosfera, come la Luna, due oggetti lasciati dalla stessa altezza si schianterebbero insieme sul nostro pianeta, sia l'uno una palla di un chilogrammo di piombo e l'altro una trapunta di un chilogrammo di piume. Al contrario, in presenza d'aria la palla di piombo arriverà per prima poiché il chilo di piume, ostacolato dal suo grande volume, e quindi dalla grande superficie che presenta, subirà dalla parte della massa d'aria attraversata una forza che si opporrà alla sua caduta. Questa forza è la resistenza dell'aria R che si può calcolare molto facilmente quando si conosce, allo stesso modo, la densità di volume dell'aria, la superficie dell'oggetto quando lo si guarda nell'asse del suo spostamento, la sua velocità di spostamento rispetto alla massa d'aria e, cosa che non è la caratteristica più facile da misurare, il suo coefficiente di penetrazione nell'aria (chiamato anche coefficiente di resistenza).
La formula che permette di calcolare questa resistenza in newton è ben più semplice di quanto sembri poiché non fa appello che alla semplice moltiplicazione:
dove:
R : resistenza dell'aria in newton
k : coefficiente che rappresenta la densità di volume dell'aria e il coefficiente di penetrazione nell'aria o coefficiente di resistenza
S : superficie in m²
V : velocità di spostamento in m/s

Una nota essenziale: la resistenza dell'aria è proporzionale al quadrato della velocità: moltiplicando la velocità per due, si moltiplica la resistenza per quattro. Dal momento che la resistenza dell'aria è opposta allo spostamento verticale dell'oggetto che cade, essa viene a dedursi dal peso P di questo oggetto. E poiché essa aumenta con la velocità, si raggiunge un momento in cui R e P si annullano e la velocità diviene allora costante.
Il ruolo del paracadute è di creare questa resistenza dell'aria. Le sue due caratteristiche principali sono la sua superficie S e il suo coefficiente di penetrazione. Questo ultimo dipende dalla forma del paracadute.
Riassumendo, si può dire che la velocità di caduta, stabilizzata per mezzo di un paracadute di forma data, dipende allo stesso modo dalla sua superficie e dalla massa dell'oggetto che gli è agganciato.
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Forme


Il paracadute più conosciuto ha una forma circolare, definito allo stesso modo semisferico. Esso è tradizionalmente costituito da un disco di tela fine (la vela, rif. V) o da una pellicola in materiale plastico, forato al centro (il camino, rif. C). Al bordo del disco sono fissati dei tiranti (rif. S), cordicelle o cavetti, in numero minimo di quattro, per i piccoli paracadute, e potendo arrivare fino a 20 o 30, per i più grandi. I paracadute circolari permettono di ottenere delle velocità di caduta molto basse. Sul paracadute qui a lato, usato sulle radiosonde, un cerchio "anti-avvitamento" (rif. A) evita che i tiranti si aggroviglino (v. più in basso). La cordicella che sostiene il dispositivo è collegata a un anello F.
Quando l'apertura del paracadute deve avvenire a velocità grandissime, per la frenatura di un aereo da caccia o di un elemento di razzo, un paracadute cruciforme ("X-form" in inglese) è più adatto, poiché la sua superficie si riduce quando la velocità aumenta; i rami della croce, tirati dalla trazione sulle corde, si orientano parallelamente all'asse di spostamento e la loro superficie ridotta ha una influenza minima sulla frenatura; quando la velocità diminuisce la superficie aumenta fino alla stabilizzazione della velocità.
Esistono numerose forme di paracadute, come per esempio il paracadute a forma di cuscino della dropsonde, concepito per resistere contemporaneamente ad una sollecitazione molto violenta all'apertura e per stabilizzare molto rapidamente la velocità della sonda.

Dimensionamento di un paracadute circolare

Il calcolo di un paracadute si svolge in due passi:
- determinazione della superficie S al fine di raggiungere una data velocità di caduta.
- calcolo di resistenza meccanica della tela, dei tiranti… per sopportare la sollecitazione all'apertura.
a) Velocità di caduta e superficie
Conoscendo la velocità di caduta desiderata si può determinare sommariamente il diametro del disco di tela da ritagliare con l'aiuto della formula seguente:

La formula reciproca, per calcolare la velocità limite è la seguente:

con, per le due formule:
D: diametro della vela del paracadute, in metri;
m: massa totale da frenare, in kg;
V : velocità limite, in m/s;
Il coefficiente 3 conviene per un piccolo paracadute di meno di un metro perfettamente dispiegato. Per tenere conto dei rischi di attorcigliamento dei tiranti si può utilizzare un coefficiente di 6.
b) resistenza meccanica del paracadute
Il calcolo di dimensionamento della vela, dei tiranti e del sistema di fissaggio del carico è particolarmente complesso. Gli sforzi applicati a ciascuno di questi elementi quando la velocità è stabilizzata sono nettamente più piccoli di quelli al momento dell'apertura, soprattutto se la velocità di caduta libera è elevata dal momento che abbiamo visto che la resistenza dell'aria è moltiplicata per 4 per ogni raddoppio della velocità. Per un pallone il cui paracadute comincia a far gonfiare la sua vela quando la velocità (nulla allo scoppio) supererà qualche metro al secondo, gli sforzi sugli elementi costitutivi del paracadute sono scarsi.
Per esempio, une M2K2 di Trappes che ricade lentamente sotto il suo paracadute ben aperto dopo uno scoppio a 30963m ha visto la sua velocità cominciare a stabilizzarsi a -30,2m/s a 30662m. La resistenza dell''aria applicata al suo paracadute era allora di 6,5 newton ed è diminuita fino a 4,9N poco tempo prima dell'impatto, determinato di fatto dal peso della M2K2, del paracadute e degli accessori. Non si può veramente parlare di choc in questo caso allorché l'apertura del paracadute era stata ritardata finché la velocità aveva raggiunto 20m/sec a 3000m, la forza di trazione sulla cordicella collegante il paracadute al dispositivo sarebbe stata di 144N, ovvero di 24N su ciascuno dei sei tiranti.

Velocità di caduta

Al momento dello scoppio, la forza ascensionale esercitata dal pallone sul dispositivo si annulla bruscamente, in meno di mezzo-secondo, e questo ultimo si ritrova sottoposto alla sola forza peso.
La velocità verticale del dispositivo, che era di 5m/s per esempio, decresce molto rapidamente, s'annulla in meno di un secondo, si inverte e comincia ad aumentare molto velocemente. Nei primi secondi di caduta, la resistenza dell'aria è bassa, dapprima a causa della velocità moderata e poi perché la densità di volume è molto bassa (0,02 kg/m3 a 30000m ossia 60 volte meno che a 300m di quota) ma grazie all'accelerazione di gravità, la velocità aumenta molto rapidamente e raggiungerebbe 100m/s in meno di una dozzina di secondi se non esistesse la resistenza dell'aria. Ma essa esiste, bella e buona, e si può calcolare che una M2K2 sospesa ad un paracadute da 1m di diametro perfettamente dispiegato e il cui peso totale è dell'ordine di 5 newton (mezzo-chilogrammo) vedrà la sua velocità stabilizzarsi a meno di 30m/s entro una dozzina di secondi dallo scoppio.
Nota : il termine di "velocità stabilizzata" non significa che essa resterà costante fino al suolo. Semplicemente, poiché la forza-peso della catena di volo e la forza-resistente dell'aria si compensano, la RS ed i suoi accessori sono sottoposti a una accelerazione istantanea che si può considerare come nulla.
In realtà la velocità non farà che decrescere nella misura in cui la densità di volume dell'aria aumenterà attraversando gli strati più densi dell'atmosfera. In generale la velocità d'impatto di una radiosonda varia da 120m/min (2m/s) a 720m/min (12m/s in assenza di paracadute e di resti di pellicola). Su una durata relativamente lunga possiamo dire che la catena di volo subisce una leggera accelerazione negativa, quindi una decelerazione.

 
 Mentre la salita è quasi rettilinea, la discesa comincia con una caduta rapida la cui velocità diminuisce con l'altitudine. Qui la velocità di caduta è stata rapida poiché il paracadute non si è aperto normalmente    Al vertice della traiettoria la radiosonda sale ancora per qualche istante dopo lo scoppio (t=0) poi la velocità aumenta come mostra la forma della curva.


 
 La velocità di salita è presso a poco stabile a 5,7m/s (342m/min). Di contro, la velocità di caduta all'inizio della discesa raggiunge 60m/s per stabilizzarsi a 10m/s poco prima dell'impatto, cosa che evidenzia un attorcigliamento della pellicola e del paracadute.    Poco dopo lo scoppio la velocità di caduta aumenta rapidamente e si stabilizza dapprima a 50m/s. Essa aumenta di nuovo fino a 60m/s qualche minuto più tardi, senza dubbio a causa dell'aggrovigliamento del paracadute e dei resti della pellicola. Questo esempio è un caso in mezzo agli altri.


Calcoli e simulazioni

Basta semplicemente un foglio elettronico come Excel o OpenOffice per fare delle simulazioni che permetteranno di comprendere l'azione combinata della resistenza dell'aria e dell'attrazione terrestre nella caduta di un oggetto pesante ma frenato da un paracadute.
Il foglio di calcolo Parachutes.xls permette queste simulazioni rapide. Si potrà aggiungere il numero di linee necessarie.
Tabella 1: simulazione dell'inizio della caduta per comprendere come la velocità si stabilizza molto presto. Pagine: ouverture du parachute e principe de calcul de la trajectoire de chute par itérations

Tabella 2: simulazine della discesa completa, secondo dopo secondo. Vedere pagina: calcul de la trajectoire de chute d'un ballon

Arabeschi

Succede, talvolta, che la traiettoria disegnata da SondeMonitor presenti graziosi arabeschi per qualche istante della fase di discesa. Non si tratta di un difetto del GPS ma di un movimento rotatorio della sonda il cui paracadute presenta una forme propizia ad uno spostamento orizzontale che non si traduce in una linea retta ma in forma di molla elicoidale. La deriva dovuta al movimento della massa d'aria provoca questo stiramento in festoni.
Quando l'ampiezza dei movimenti è meno pronunciato (da 5 a 15m) ed essi sono più regolari si tratta più verosimilmente del penzolamento della sonda al capo della sua cordicella.

Realizzazione di un paracadute sperimentale

Una volta i bambini legavano delle cordicelle ai quattro angoli del loro fazzoletto e li collegavano insieme a un pezzettino di metallo, vecchio dado o rondella di piombo. Molti di questi paracadute sperimentali finivano la loro carriera tra i fili delle linee elettriche o telefoniche.
Costruire un piccolo paracadute oggi è ancora più facile grazie all'abbondanza di materiali leggeri e a buon mercato come i sacchi della spazzatura, per esempio. Un metodo conveniente per i ragazzi è descritto sulla pagina: Présentation de parachutes pour une exposition(F). Questo può essere un buon modo d'interessare i ragazzi alla tecnologia aeronautica in una domenica piovosa...

I paracadute per radiosonde

Totex è uno dei principali fabbricanti mondiali di paracadute per radiosonde ma uno dei suoi concorrenti più originali è il fornitore del centro di Météo-Suisse a Payerne: una sartoria che realizza superbi ed efficacissimi paracadute in tela di cotone grezzo. I paracadute di fabbricazione industriale sono generalmente in polietilene tinto di rosso.
Al capo delle catene di volo ritrovate sul campo si scoprono paracadute di diverse taglie, adattate alla massa dei dispositivi da frenare:
- 100g (DFM-06): diametro 55cm (quando essa è dotata di un paracadute...);
- 210 a 270g (M2K2DC o RS92SGP): diametro da 80 a 100 cm;
- 880g (sensore di ozono+RS92SGP a ../RS02/RS02F.html): diametro 175 cm in polietilene più spesso;
- 1075g (sensore di ozono+SRS400-C34 a Payerne): diametro 150cm in tessuto;
Distinguendosi dagli altri paracadute Totex, il paracadute integrato nella pellicola del pallone prima del gonfiaggio presenta la particolarità di non intralciare il tecnico addetto al rilascio ma anche di presentare meno rischi di attorcigliamento del paracadute e della pellicola poiché essa viene a trovarsi sotto al paracadute. La variabilità della velocità di caduta è un po' più contenuta.

Ecco qualche foto di paracadute utilizzati sulle RS

 
 Paracadute integrato nel pallone e usato nel lanciatore automatico di Herstmonceux (G) (ph. F4EWZ)    Stesso modello di pallone+paracadute ma usato per rilascio manuale a Idar-Oberstein (DL). Suspeso sotto un albero.


 
 Confronto del modello ordinario di diametro 95cm e di uno piccolo di diametro 55cm    Paracadute modello grande, da 175cm, usato da Uccle per i sondaggi ozono


 
 RS92-SGP di Camborne ritrovata il 21/11/2008 da F5JGW e F6DDV. Lo svolgitore è fissato sull'anello a forma di rotella.    Paracadute in tessuto, usato da Payerne. Diametro 150cm, massa 158g

 
 Un esemplare della collezione di Cliff: un paracadute in carta fabbricato da detenuti di una prigione federale USA nel 1958. Il "metro" è graduato in inches...    Modello inconsueto usato dal DGA in Francia con le DFM-06. (f. F1NVW)


Malfunzionamento del paracadute

Dal fatto che il paracadute è dispiegato dal momento del lancio, non esistono in effetti problemi di apertura. E' appena all'inizio della caduta che iniziano i problemi, con il rimescolamento dei brandelli di pellicola che si attorcigliano con i tiranti del paracadute. Se lo scoppio è perfetto, il solo manicotto di gonfiaggio generalmente non impedisce il funzionamento del paracadute, la discesa è allora molto lenta.
Succede, tuttavia, che la torsione della cordicella della sonda si propaghi sui tiranti che ritorcendosi riducono la superficie frenante facendo richiudere la corolle (v. foto sotto). Questo fenomeno viene generalmente evitato dalla presenza dell'anello anti-torsione presente sulla maggior parte dei paracadute in plastica, salvo che su quelli in cotone di MétéoSuisse e sui paracadute integrati.
La foto a lato della sonda di Emden (DL) scattata da Eric, cacciatore olandese, mostra l'insieme pellicola/paracadute-integrato completamente aggrovigliato. Essendo la velocità di caduta molto rapida, le possibilità di realizzare una tale foto sono ristrette.

L'anello anti-torsione

Il paracadute della RS92KL di Milano ritrovata da Fer, IW1DTU (foto sotto) è dotato di un anello di forma poligonale il cui ruolo è di tenere separati l'uno dall'altro gli otto tiranti del paracadute.
Durante la salita, il contenitore della sonda ha la tendenza a ruotare su se stesso ma non ha la forza di provocare una notevole torsione sulla cordicella. Al contrario, durante la caduta, può succedere che il fascio di tiranti si attorcigli e richiuda il paracadute su se stesso. L'anello anti-torsione permette di evitare questo fenomeno.
Il suo secondo ruolo è di mantenere i tiranti separati al momento dello scoppio e di aiutare l'aria ad infilarsi nella vela ripiegata, appena avvenuto lo scoppio.

 
 Anello anti-torsione di forma poligonale    I tiranti e la cordicella del pallone hanno formato una treccia durante la discesa.


Il paracadute e la caccia alle RS

Conoscere a fondo il funzionamento abituale del paracadute della radiosonda che si sta cacciando può essere molto utile per prevedere il suo punto di caduta. Secondo che il paracadute adempia perfettamente al suo ruolo o meno, lo scarto di distanza percorsa può rappresentare più di un centinaio di chilometri, in caso di venti notevoli.
Sul campo, molto spesso è il paracadute che viene visto per primo, soprattutto se è rosso e agitato dal vento. Poi, basta seguire la cordicella per arrivare alla radiosonda. Quando il paracadute è agganciato a un albero, non è sempre facile scorgere la cordicella. Si ricorderà, allora, che la radiosonda è la prima a toccare il suolo e che il paracadute prosegue la sua corsa, spinto dal vento. Basta, poi, ritrovare la direzione del vento al suolo e contare da 5 a 40 passi nella direzione del vento.

Ringraziamenti

Gli esempi di traiettorie utilizzate nelle pagine relative ai paracadute di radiosonde sono stati decodificati e ci sono stati trasmessi da: F1BMN, F1HCV, F1NCP, F4BHY, F4FKB, F6DDV, F6EFI, F6EYG, F6GVH, F6HCC, F8BNN...

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