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.
.
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...
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.
dove:
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.
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.
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. 
