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Il "pallone-paracadute"

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traduzione di Aki IZ0MVN

Vedere anche: Lancio di un pallone-sonda - Le pellicole dei palloni-sonda - L'apertura del paracadute - I paracadute dei palloni-sonda
E, in particolare:
E in particolare: Calcolo iterativo della traiettoria di caduta (F) - Calcolo della traiettoria completa di caduta di un pallone - Variazioni della velocità di salita di un pallone-sonda - Variazione del volume di un pallone in funzione della quota - Il pallone che non scoppia proprio -


Questo titolo di "pallone-paracadute" può sorprendere, Come può un pallone trainare una gondola in salita e frenare la caduta dopo lo scoppio?

Problema

Succede che gli scienziati che studiano l'atmosfera abbiano bisogno di fare delle misure sia in salita che in discesa. Questo per studiare il comportamento dei sensori di radiosonde, per esempio per un sensore di umidità si vorrà verificare l'inerzia dell'elemento sensibile dopo l'attraversamento delle nuvole. Si sa che con un paracadute classico la velocità di caduta è molto elevata all'inizio della discesa, ad alta quota là dove l'aria è poco densa, e che questa velocità diminuisce progressivamente avvicinandosi al suolo (che il paracadute funzioni normalmente o no! v.: calcolo della traiettoria completa di caduta di un pallone.
Per regolare la velocità di caduta, un paracadute classico non è conveniente, bisogna immaginare un'altra soluzione: utilizzare due palloni di cui l'uno scoppierà ad una certa quota e l'altro agirà come paracadute.

Principio

In un radiosondaggio ordinario, la forza ascensionale del pallone è superiore alla forza peso di tutta la catena di volo: pellicola, cordicella, svolgitore, paracadute, radiosonda (o gondola di un pallone-sonda scuola) e degli eventuali accessori come il riflettore radar. Si sa anche che la velocità di salita si stabilizza qualche secondo dopo il rilascio poiché la resistenza che l'aria esercita sull'inviluppo, proporzionale al quadrato della velocità di salita, si oppone allo spostamento del pallone e compensa la forza ascensionale. Si può dire che il pallone è, allo stesso tempo, un motore grazie alla spinta di Archimede e un freno a causa della sua superficie e della resistenza dell'aria. Questo fenomeno è spiegato semplicemente nel paragrafo "Stabilizzazione della velocità" della pagina: Variazioni della velocità di salita di un pallone-sonda.
Supponendo che un pallone, troppo piccolo per sollevare tutta la catena di volo, sia portato ad alta quota, l'insieme discenderà, trascinato da una forza verticale orientata verso il basso, data dal suo peso e frenato nella sua caduta dal pallone sottoposto a due forze dirette verso l'alto: la spinta di Archimede impressa al pallone, più leggero dell'aria, e la resistenza dell'aria provocata dalla velocità di caduta, proporzionale al profilo del pallone.
Un sistema utilizzante un pallone-paracadute sarà dunque composto da:
- carico utile: gondola...
- pallone "motore" che sarà portato alla quota voluta
- pallone "paracadute" che frenerà la discesa dopo aver partecipato all'ascensione.

Il pallone agisce come un paracadute classico, con queste differenze:
- ad alta quota la densità di volume dell'aria è scarsa dunque la resistenza dell'aria sarà diminuita ma, dal momento che il pallone è fortemente dilatato, la superficie che oppone al suo spostamento verso il basso è massima. Un paracadute ordinario, correttamente dispiegato, giocherà il suo ruolo di freno allo stesso modo ma sarà molto meno efficace del pallone-paracadute poiché la sua superficie sarà relativamente molto più ridotta.
- nella misura in cui discende, il pallone diminuisce di diametro poiché è compresso dalla pressione atmosferica che aumenta; la sua superficie diminuisce ma dal momento che la densità di volume dell'aria aumenta, la sua forza di freno resta la stessa, la velocità di caduta resta stabile. La superficie del paracadute classico resta la stessa ma dal momento che la densità di volume dell'aria aumenta, la sua forza di freno aumenta allo stesso modo; la velocità di caduta diminuisce.
Nota: saremmo tentati di pensare che il comportamento del pallone utilizzato come paracadute sia lo stesso durante la salita e durante la discesa. Questo sarebbe il caso se non ci fosse fuga di gas e se la pellicola in latex non vedesse le sue caratteristiche modificate dopo un soggiorno in quota. Arrivando al suolo, la pellicola stirata ha la forma di una pera rovesciata, il suo coefficiente aerodinamico Cx non è più quello di una quasi-sfera e la superficie del suo profilo (visto da sotto) è, per questo fatto, più piccola.

Decollo. Notare la taglia dei palloni. La scatola nera è il sistema di sgancio.		Sgancio del pallone principale. Il paracadute rosso dà la scala per stimare la dilatazione del pallone-paracadute.		Atterraggio. Notare la taglia del pallone-paracadute e il suo "ritardo" in rapporto al paracadute classico.

Esempio pratico

La foto di sinistra (grazie a Météo-Suisse) mostra il rilascio di un sistema di quattro radiosonde (SRS-C34 e RS92SGP) destinate alla comparazione di svariati sensori di umidità. Esso è trascinato verso il cielo da due palloni: - un pallone principale di 3000g gonfiato con idrogeno. Esso sarà sganciato alla quota scelta, in questo caso di 25000m. L'idrogeno viene usato per ragioni di economia. Dal momento che è destinato a scoppiare lontano dal punto di sgancio, non vi è alcun rischio di disturbo dovuto all'infiammabilità dell'idrogeno. - un pallone paracadute di 2000g gonfiato ad elio. E' gonfiato per scoppiare largamente più in alto di 25000m ma non ha la forza di sollevare il sistema. Quest'ultimo, quindi, lo trascinerà verso il basso dopo lo scoppio del pallone traente. Durante la fase di salita, esso aiuta bene il suo collega da 3000g. E' gonfiato ad elio poiché, per sua natura, esso conterrà ancora del gas dopo essere arrivato al suolo, sebbene ne abbia perduto una parte. I rischi legati alla infiammabilità del gas sono nulli. Un paracadute classico è agganciato sotto al pallone-paracadute nel caso questo dovesse scoppiare per errore durante il volo. Qui il sistema di sgancio è basato sul taglio termico della cordicella in materiale plastico, per mezzo di una resistenza. Il dispositivo, molto leggero ed affidabile, viene comandato da un circuito associato a un ricevitore GPS. La quota di sgancio viene controllata con precisione. Precedentemente si usava un sistema barometrico (molto meno preciso ad alta quota) o ancora un temporizzatore la cui regolazione era effettuata tenendo conto della velocità di salita; precisione ugualmente mediocre. A destra: il pallone paracadute dopo l'atterraggio tra gli alberi.
		Foto Météo-Suisse		Photo F5ZV