Meccanica dei fluidi - Ateneonline
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Yunus A. Çengel<br />
John M. Cimbala<br />
per l’edizione italiana<br />
Giuseppe Cozzo<br />
Cinzia Santoro<br />
<strong>Meccanica</strong> <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong><br />
Seconda edizione<br />
Soluzione <strong>dei</strong> problemi<br />
Capitolo 1<br />
McGraw-Hill
Indice<br />
1 Introduzione e concetti di base 1<br />
Introduzione, classificazione e sistema 1<br />
Massa, forza e unità di misura 4<br />
Modellazione e risoluzione di problemi ingegneristici 7<br />
Riepilogo 9<br />
2 Proprietà <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> 11<br />
Densità 12<br />
Tensione di vapore e cavitazione 15<br />
Energia specifica 16<br />
Comprimibilità e velocità del suono 17<br />
Viscosità 24<br />
Tensione superficiale e capillarità 30<br />
Riepilogo 32<br />
3 Statica <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> 37<br />
Pressione, manometro e barometro 38<br />
Spinte idrostatiche su superfici piane e curve 59<br />
Galleggiamento 66<br />
Moto rigido <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> 72<br />
Riepilogo 81<br />
4 Cinematica <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> 99<br />
Problemi introduttivi 99<br />
Descrizioni lagrangiana ed euleriana 101<br />
Strutture del moto e visualizzazione del moto 107<br />
Moto e deformazione di elementi di fluido 115<br />
Teorema del trasporto di Reynolds 126<br />
Riepilogo 127<br />
5 Equazioni della massa, di Bernoulli, dell’energia 135<br />
Conservazione della massa 136<br />
Energia meccanica e rendimento 140<br />
Teorema di Bernoulli 145<br />
Equazione dell’energia 160<br />
Riepilogo 174
II Indice<br />
6 Equazione della quantità di moto 183<br />
Leggi di Newton e conservazione della quantità di<br />
moto 184<br />
Equazione della quantità di moto 184<br />
Riepilogo 218<br />
7 Analisi dimensionale e modellazione 229<br />
Dimensioni e unità, dimensioni fondamentali 229<br />
Omogeneità dimensionale 232<br />
Adimensionalizzazione delle equazioni 233<br />
Analisi dimensionale e similitudine 234<br />
Parametri adimensionali e metodo delle variabili ripetute<br />
238<br />
Prove sperimentali e similitudine incompleta 255<br />
Riepilogo 260<br />
8 Correnti in pressione 275<br />
Moto laminare e moto turbolento 276<br />
Moto completamente sviluppato 279<br />
Perdite localizzate 298<br />
Reti di distribuzione 299<br />
Lunghe condotte 326<br />
Misura della velocità e della portata 336<br />
Riepilogo 343<br />
9 Equazioni indefinite del moto <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> 357<br />
Problemi di base 357<br />
Equazione di continuità 359<br />
Funzione di corrente 361<br />
Equazione della quantità di moto e condizioni al<br />
contorno 371<br />
Riepilogo 379<br />
10 Soluzioni approssimate dell’equazione di Navier-Stokes 391<br />
Problemi di base 392<br />
Moto non viscoso 395<br />
Moto irrotazionale 396<br />
Strati limite 400<br />
Riepilogo 409<br />
11 Moto attorno ai corpi: resistenza e portanza 411<br />
Resistenza e portanza 412<br />
Moto su lastra piana 424<br />
Moto attorno a cilindri e sfere 428<br />
Portanza 432<br />
Riepilogo 436<br />
12 Moto <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> comprimibili 441<br />
Grandezze di ristagno 442<br />
Moto isoentropico unidimensionale 445<br />
Moto isoentropico negli ugelli 448<br />
Onde d’urto e onde di espansione 452
Moto con scambio di calore e resistenze trascurabili<br />
(Flusso di Rayleigh) 460<br />
Moto adiabatico con resistenze non trascurabili (Flusso<br />
di Fanno) 467<br />
Riepilogo 476<br />
13 Correnti a superficie libera 495<br />
Numero di Froude e celerità 497<br />
Energia specifica ed equazione dell’energia 502<br />
Moto uniforme e sezioni di minimo costo 509<br />
Moto gradualmente e rapidamente variato. Risalto<br />
idraulico 520<br />
Regolazione e misura della portata 527<br />
Riepilogo 534<br />
III
INTRODUZIONE E CONCETTI DI BASE 1<br />
SOMMARIO<br />
In questo capitolo vengono introdotti e discussi alcuni concetti<br />
di base della meccanica <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong>. Un fluido è una sostanza<br />
nella fase liquida o gassosa. La meccanica <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong><br />
è la scienza che studia il comportamento <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> in quiete<br />
o in moto e l’interazione tra i <strong>fluidi</strong> e i solidi o altri <strong>fluidi</strong> al<br />
contorno.<br />
Il campo di moto di un fluido può essere confinato (moto<br />
in una tubazione) o non confinato (moto attorno a un corpo).<br />
Un fluido è considerato comprimibile o incomprimibile<br />
secondo che esso subisca o meno variazioni di densità<br />
durante il moto. La densità di un liquido è praticamente<br />
costante; quindi i liquidi sono abitualmente considerati<br />
incomprimibili.<br />
Il termine permanente implica che in ogni punto del campo<br />
di moto non ci sia nessuna variazione nel tempo. Nel caso<br />
contrario, il moto è vario o transitorio.<br />
Un moto è detto unidimensionale o bidimensionale se la<br />
velocità varia solamente lungo una o due direzioni.<br />
PROBLEMI<br />
Introduzione, classificazione e sistema<br />
1.1 Quando un campo di moto è confinato? Quando è non confinato? Quando<br />
il moto è a superficie libera?<br />
Analisi Un campo di moto è confinato quando il fluido si muove in uno spazio<br />
completamente delimitato da pareti solide, come nel caso del moto all’interno<br />
di una tubazione. È non confinato quando il fluido si muove in uno spazio<br />
non delimitato come nel caso del moto su una superficie o attorno ad un filo o<br />
Un fluido a contatto con una parete solida aderisce alla parete;<br />
non si ha, pertanto, alcuno scorrimento relativo tra fluido<br />
e parete. Questa è la condizione di aderenza, a causa della<br />
quale si forma uno strato limite lungo ogni superficie solida.<br />
Un sistema con massa fissata è chiamato sistema chiuso,<br />
mentre un sistema il cui contorno è attraversato da massa<br />
è chiamato sistema aperto o volume di controllo. Molti<br />
problemi ingegneristici comportano trasferimento di massa<br />
e vengono quindi modellati considerando un opportuno<br />
volume di controllo.<br />
Nei calcoli ingegneristici, è molto importante porre l’attenzione<br />
sulle unità di misura delle grandezze per evitare errori<br />
causati da unità non omogenee. È anche importante rendersi<br />
conto che se i dati sono espressi con un certo numero di<br />
cifre significative i risultati ottenuti non possono essere più<br />
accurati <strong>dei</strong> dati, anche se espressi con un numero maggiore<br />
di cifre significative.
2 Capitolo 1 Y. Çengel, J. Cimbala - per l’edizione italiana G. Cozzo, C. Santoro<br />
ad una tubazione. Se il campo di moto è delimitato da una parete solida solo<br />
inferiormente, come nel caso di una condotta chiusa riempita solo parzialmente<br />
da liquido, e superiormente da una superficie liquida a contatto con l’aria, detta<br />
superficie libera, il moto è chiamato a pelo libero o a superficie libera.<br />
1.2 Quando un fluido è comprimibile? E quando incomprimibile? Un fluido<br />
comprimibile deve sempre essere considerato tale?<br />
Analisi Un fluido in moto può essere considerato comprimibile o incomprimibile<br />
a seconda delle variazioni di densità indotte dal moto. Un fluido è detto<br />
incomprimibile se la sua densità durante il moto si mantiene praticamente costante,<br />
cioè se rimane costante il volume di una sua qualsiasi porzione, mentre<br />
è da considerarsi comprimibile in caso contrario. Lo stesso fluido può quindi<br />
comportarsi come un fluido incomprimibile in certe condizioni di moto e come<br />
fluido comprimibile in altre.<br />
1.3 Cos’è la condizione di aderenza? Da cosa è causata?<br />
Analisi L’evidenza sperimentale indica che un fluido a diretto contatto con<br />
una parete solida aderisce ad essa assumendone la stessa velocità (non vi è,<br />
cioè, scorrimento relativo tra fluido e parete). Questa condizione è chiamata<br />
condizione di aderenza. Essa è dovuta alla proprietà fisica <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> chiamata<br />
viscosità.<br />
1.4 Com’è definito il numero di Mach? Che significa Mach 2?<br />
Analisi Il numero di Mach è dato dal rapporto tra la velocità del fluido (o di<br />
un corpo in moto nel fluido in quiete) e la velocità con la quale il suono si<br />
propaga nello stesso fluido. Il valore Mach 2 indica che la velocità del fluido<br />
(o dell’oggetto in moto nel fluido in quiete) è pari al doppio della velocità di<br />
propagazione del suono nello stesso fluido. Il numero di Mach è un esempio di<br />
parametro adimensionale.<br />
1.5 L’aria in moto a Ma 0,12 deve essere considerata comprimibile o incomprimibile?<br />
Analisi Un gas in moto può essere considerato incomprimibile se la sua densità<br />
subisce variazioni inferiori al 5%, come accade in genere per Ma
<strong>Meccanica</strong> <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> - 2 a ed. - Soluzione <strong>dei</strong> problemi Introduzione e concetti di base 3<br />
verso l’alto o aria fredda, più pesante, che si muove verso il basso). Il moto<br />
indotto dal vento è a gravità, anche se dal punto di vista degli effetti che esso<br />
induce su un corpo non c’è alcuna differenza con un moto forzato, come, ad<br />
esempio, quello dell’aria causato da un ventilatore.<br />
1.7 Cos’è lo strato limite? Qual è la causa dello sviluppo dello strato limite?<br />
Analisi Quando una corrente fluida viene a contatto con una parete solida, la<br />
velocità del fluido si annulla alla parete e cresce via via fino ad assumere, a<br />
distanza sufficientemente grande dalla parete, un valore costante. La regione<br />
di moto adiacente alla parete è interessata, quindi, da significativi gradienti di<br />
velocità. Tale regione è chiamata strato limite. Il suo sviluppo è dovuto alla<br />
condizione di aderenza.<br />
1.8 Quando un moto è stazionario?<br />
Analisi Un moto è detto stazionario (o permanente) quando in ogni punto<br />
del campo di moto nessuna delle grandezze caratteristiche del moto (velocità,<br />
pressione, ...) varia nel tempo.<br />
1.9 Cos’è lo sforzo? Cos’è la pressione?<br />
Analisi Si definisce sforzo il rapporto tra una forza e l’area su cui essa agisce.<br />
La componente normale e quella tangenziale della forza che agisce su un’area<br />
unitaria sono, rispettivamente, lo sforzo normale e lo sforzo tangenziale. In<br />
un fluido in quiete, non essendovi movimento relativo tra particelle vicine, lo<br />
sforzo tangenziale è nullo. Pertanto, in ciascun punto agiscono solo sforzi normali,<br />
il cui modulo è indipendente dalla direzione dello sforzo. Tale modulo,<br />
costante, dello sforzo normale è chiamato pressione.<br />
1.10 Cosa sono un sistema, l’esterno e il contorno?<br />
Analisi Si chiama sistema la quantità di materia o la regione nello spazio scelta<br />
quale oggetto di studio. La massa o la regione al di fuori del sistema è chiamata<br />
esterno. La superficie, reale o immaginaria, che separa il sistema dall’esterno<br />
è chiamata contorno.<br />
1.11 Quando un sistema è chiuso? Quando è un volume di controllo?<br />
Analisi Un sistema può essere chiuso o aperto a seconda che si mantenga fissa<br />
la massa del sistema o il suo volume. Un sistema chiuso (chiamato anche massa<br />
di controllo) consiste di una quantità fissa di massa. Il contorno di un sistema<br />
chiuso non può, pertanto, essere attraversato da massa, ma solo da energia,<br />
sotto forma di calore o lavoro. Un sistema aperto, o volume di controllo, è<br />
una regione dello spazio scelta opportunamente, il cui contorno può essere<br />
attraversato sia da massa che da energia.<br />
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4 Capitolo 1 Y. Çengel, J. Cimbala - per l’edizione italiana G. Cozzo, C. Santoro<br />
Massa, forza e unità di misura<br />
1.12 Qual è la differenza tra chilogrammo-massa e chilogrammo-forza?<br />
Analisi Il chilogrammo (kg) è l’unità di massa nel SI (Sistema Internazionale)<br />
e misura l’unità di massa, definita come la massa di un prototipo campione<br />
di platino-iridio conservato a Sèvres (Francia), nella sede del BIPM (Bureau<br />
International des Poids et Mesures). Il chilogrammo-forza (kgf) è una unità di<br />
forza non SI ed è pari al peso della massa di un chilogrammo. Pertanto, esso<br />
equivale a 9,807 N.<br />
1.13 Qual è la forza risultante che agisce su un’automobile che viaggia alla<br />
velocità costante di 70 km/h su una strada (a) orizzontale e (b) in salita?<br />
Analisi Per la seconda legge di Newton, la forza che agisce su un corpo è<br />
direttamente proporzionale alla sua accelerazione. Se l’accelerazione è nulla,<br />
la forza risultante è nulla. Viaggiando a velocità costante, l’automobile ha<br />
accelerazione nulla. Pertanto, la forza risultante che agisce su di essa è nulla in<br />
ambedue i casi.<br />
1.14 Un contenitore di plastica di 10 kg ha un volume di 0,2 m 3 ed è riempito<br />
di acqua di densità 1 000 kg/m 3 . Determinare il peso complessivo del<br />
sistema.<br />
Ipotesi La densità dell’acqua è ovunque costante.<br />
Analisi La massa ma dell’acqua di densità ρ che riempie il contenitore di<br />
volume W è<br />
ma = ρW = 1 000 × 0,2 = 200 kg<br />
Aggiungendovi la massa mc del contenitore, si ha la massa complessiva m del<br />
sistema<br />
m = ma + mc = 200 + 10 = 210 kg<br />
Pertanto, il peso complessivo P del sistema vale<br />
P = mg = 210 × 9,81 = 2 060 N<br />
1.15 Determinare la massa e il peso dell’aria contenuta in una stanza di 6 m×<br />
6 m × 8 m, essendo la densità dell’aria pari a 1,16 kg/m 3 .<br />
Ipotesi La densità dell’aria è ovunque costante.<br />
Analisi La massa m dell’aria di densità ρ contenuta nella stanza di volume W<br />
vale<br />
m = ρW = 1,16 × 6 × 6 × 8 = 334 kg<br />
Pertanto, il suo peso vale<br />
P = mg = 334 × 9,81 = 3 280 N<br />
1.16 Alla latitudine di 45 ◦ l’accelerazione di gravità g varia in funzione della<br />
quota z sul livello del mare con la legge g = a − bz, essendo a = 9,807 m/s 2<br />
Copyright c○ 2011 The McGraw-Hill Companies, S.r.l.
<strong>Meccanica</strong> <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> - 2 a ed. - Soluzione <strong>dei</strong> problemi Introduzione e concetti di base 5<br />
e b = 3,32 × 10 −6 s −2 . Determinare la quota s.l.m. alla quale il peso di un<br />
oggetto diminuisce dell’1%.<br />
Analisi Alla quota z sul livello del mare, in cui il peso Pz di un corpo di massa<br />
m diminuisce dell’1%, esso è pari al 99% del valore P0 che assume al livello<br />
del mare, in cui, essendo z = 0, g0 = a. Pertanto, deve essere<br />
Semplificando ed esplicitando gz si ha<br />
da cui<br />
Pz = mgz = 0,99 P0 = 0,99 mg0<br />
gz = a − bz = g0 − bz = 0,99 g0<br />
z = 1<br />
b g0(1<br />
9,807<br />
− 0,99) = 0,01 ×<br />
= 29 540 m<br />
3,32 × 10−6 1.17 Per i veicoli che viaggiano a velocità molto elevate l’accelerazione è<br />
spesso espressa in g, cioè in multipli del valore standard della accelerazione di<br />
gravità. Calcolare la forza, in N, che agisce su un uomo di 90 kg in un veicolo<br />
spaziale accelerato a 6g.<br />
Analisi Per la seconda legge di Newton, la forza che agisce su un uomo di<br />
massa m = 90 kg, sottoposto ad un’accelerazione a = 6g, vale<br />
F = ma = 6 mg = 6 × 90 × 9,81 = 5 300 N<br />
Discussione In tali condizioni, è come se il peso dell’uomo aumentasse di sei<br />
volte.<br />
1.18 L’accelerazione di gravità g, pari a 9,807 m/s 2 al livello del mare, è<br />
pari a 9,767 m/s 2 alla quota di 13 000 m, alla quale viaggiano oggi gli aerei.<br />
Determinare di quanto si riduce in percentuale il peso di un aereo che vola a<br />
13 000 m, rispetto al peso che ha al livello del mare.<br />
Analisi Essendo il peso P proporzionale all’accelerazione di gravità g, la riduzione<br />
percentuale di peso P/P è pari alla riduzione percentuale g/g<br />
dell’accelerazione di gravità. Per cui<br />
100 P<br />
P<br />
= 100 g<br />
g<br />
= 100 × 9,807 − 9,767<br />
9,807<br />
= 0,41%<br />
1.19 Quanta energia elettrica, in kWh e in kJ, viene assorbita in 2 ore da uno<br />
scaldabagno che ha una potenza di 4 kW?<br />
Analisi La potenza è l’energia nell’unità di tempo. Per cui l’energia elettrica E<br />
assorbita dalla resistenza dello scaldabagno di potenza P = 4 kW nel tempo<br />
t = 2 h vale<br />
E = Pt = 4 × 2 = 8 kWh<br />
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6 Capitolo 1 Y. Çengel, J. Cimbala - per l’edizione italiana G. Cozzo, C. Santoro<br />
Poiché<br />
1 W = 1 J/s<br />
esprimendo il tempo di funzionamento in secondi, è anche<br />
E = Pt = 4 × 2 × 3 600 = 28 800 kJ<br />
1.20 Un elevatore solleva una cassa di 90,5 kg per un’altezza di 1,80 m.<br />
Calcolare il lavoro compiuto dall’elevatore, in kJ, e la potenza ceduta alla cassa<br />
nei 12,3 s necessari per sollevarla.<br />
Ipotesi La velocità dell’elevatore è costante.<br />
Analisi Il lavoro è una forma di energia. Esso è uguale al prodotto della forza<br />
per la distanza. Pertanto, il lavoro L compiuto dall’elevatore per sollevare la<br />
cassa di peso P = mg = 90,5 × 9,81 = 888 N per un’altezza h = 1,80 m,<br />
vale<br />
L = Ph = 888 × 1,80 = 1 600 Nm = 1,60 kJ<br />
La potenza è l’energia nell’unità di tempo. Pertanto, la potenza Pc ceduta alla<br />
cassa nel tempo t = 12,3 s necessario per sollevarla a velocità costante, vale<br />
Pc = L<br />
t<br />
1,60<br />
= = 0,130 kJ/s = 130 W<br />
12,3<br />
Discussione Per effetto delle resistenze di cui il calcolo non ha tenuto conto, la<br />
potenza effettivamente richiesta sarà maggiore di quella calcolata.<br />
1.21 Una persona acquista un condizionatore con una potenza di 5 000 Btu<br />
e osserva che, in una giornata afosa, per mantenere la temperatura della stanza<br />
costante, esso si attiva per il 60% del tempo. Calcolare il calore trasmesso<br />
nell’unità di tempo alla stanza attraverso i muri e le finestre. Nell’ipotesi che<br />
il condizionatore abbia una efficienza energetica (quantità di calore sottratta<br />
all’ambiente per unità di energia assorbita) pari a 9,0 e che l’elettricità abbia<br />
un costo di 0,20 /kWh, calcolare quanto costa mantenere in funzione il<br />
condizionatore.<br />
Ipotesi 1 Il calore trasmesso per unità di tempo è costante. 2 Le temperature<br />
esterna ed interna non cambiano in maniera significativa durante il periodo di<br />
funzionamento del condizionatore.<br />
Analisi In un’ora il condizionatore fornisce 5 000 Btu, ma solo per il 60%<br />
del tempo. Poiché durante l’ora di funzionamento le temperature esterna ed<br />
interna rimangono costanti, il calore medio Qc trasmesso per unità di tempo<br />
dall’esterno è uguale alle frigorie medie fornite dal condizionatore per unità di<br />
tempo. Per cui, tenendo conto che 1 Btu = 1,0551 kJ, si ha<br />
Qc =<br />
0,60 × 5 000<br />
1<br />
= 3 000 Btu/h = 3 000 × 1,0551<br />
3 600<br />
= 0,879 kW<br />
L’efficienza energetica è il rapporto tra la quantità di calore sottratta all’ambiente<br />
in Btu/h e l’energia consumata in Wh. Pertanto, poiché il condizionatore<br />
in questione sottrae 9 Btu/h per ogni Wh di energia consumata, l’energia E<br />
necessaria per sottrarre 3 000 Btu/h è<br />
E =<br />
3 000<br />
9<br />
= 333 Wh = 0,333 kWh<br />
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<strong>Meccanica</strong> <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> - 2 a ed. - Soluzione <strong>dei</strong> problemi Introduzione e concetti di base 7<br />
per un costo orario<br />
C = 0,20 × 0,333 = 0,666 <br />
1.22 Un contenitore d’acqua della capacità di 2,0 l si riempie in 2,85 s.<br />
Calcolare la portata di volume, in l/min, e la portata di massa, in kg/s.<br />
Analisi La portata volumetrica Q è il volume nell’unità di tempo, per cui<br />
Q = W<br />
t<br />
2,0<br />
= = 0,702 l/s = 0,702 × 60 = 42,1 l/min<br />
2,85<br />
La portata di massa Qm è la massa nell’unità di tempo, per cui, essendo ρ =<br />
1 000 kg/m 3 la densità dell’acqua, si ha<br />
Qm = ρ Q = 1 000 × 0,702 × 10 −3 = 0,702 kg/s<br />
1.23 Un piccolo aereo viaggia alla velocità di 55,0 m/s. Per bilanciare la resistenza<br />
al moto dell’aria il suo motore sviluppa una forza di 1 500 N. Calcolare<br />
la potenza del motore, in kW.<br />
Ipotesi L’aereo viaggia ad altitudine e velocità costanti.<br />
Analisi In moto uniforme orizzontale, la spinta del motore eguaglia la resistenza<br />
al moto. La potenza P è l’energia nell’unità di tempo. L’energia è uguale al<br />
prodotto della forza F per lo spostamento s. Pertanto, essendo lo spostamento<br />
nell’unità di tempo pari alla velocità V , si ha<br />
P = F s<br />
t<br />
= FV = 1 500 × 55,0 = 82 500 Nm/s = 82,5 kW<br />
Discussione Per effetto delle perdite meccaniche del motore, di cui il calcolo<br />
non tiene conto, la potenza effettiva del motore deve essere maggiore di quella<br />
calcolata.<br />
Modellazione e risoluzione di problemi ingegneristici<br />
1.24 Qual è la differenza tra precisione e accuratezza? Può una misura essere<br />
molto precisa ma non accurata?<br />
Analisi Una misura è tanto più accurata quanto più il suo valore è vicino al valore<br />
effettivo della grandezza misurata. Invece, varie misure della stessa grandezza<br />
sono tanto più precise quanto meno differiscono l’una all’altra o quanto<br />
maggiore è il numero di cifre significative con cui sono espresse. Una misura<br />
può essere molto precisa ma non necessariamente accurata. Per esempio, con<br />
riferimento alla misura della temperatura di ebollizione dell’acqua a pressione<br />
atmosferica, una misura che fornisce il valore di 97,86 ◦ C è molto precisa (in<br />
quanto espressa con 4 cifre significative) ma non accurata quanto una misura<br />
che fornisce il valore di 99 ◦ C (in quanto questa è più vicina all’effettivo valore<br />
di 100 ◦ C).<br />
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8 Capitolo 1 Y. Çengel, J. Cimbala - per l’edizione italiana G. Cozzo, C. Santoro<br />
1.25 Qual è la differenza tra approccio analitico e approccio sperimentale<br />
per la risoluzione di problemi ingegneristici? Discutere vantaggi e svantaggi di<br />
ciascuno.<br />
Analisi L’approccio sperimentale è basato su prove e misure delle varie grandezze,<br />
mentre l’approccio analitico si basa sulla schematizzazione matematica<br />
del problema e la risoluzione <strong>dei</strong> relativi calcoli. Il primo presenta il vantaggio<br />
di operare sul sistema fisico reale (o su un suo modello in scala opportuna) e<br />
fornisce valori delle grandezze fisiche le cui differenze dai valori effettivi sono<br />
contenute nell’ambito degli errori di misura. In generale, però, è costoso, non<br />
sempre facilmente praticabile e richiede spesso tempi lunghi. Il secondo ha il<br />
vantaggio di essere veloce ed economico, ma la correttezza <strong>dei</strong> risultati dipende<br />
dall’accuratezza delle ipotesi e delle semplificazioni introdotte nell’analisi.<br />
1.26 Che importanza ha la modellazione in ingegneria? Come vengono<br />
predisposti i modelli matematici <strong>dei</strong> problemi ingegneristici?<br />
Analisi La modellazione fisica (approccio sperimentale) o matematica (approccio<br />
analitico) di un problema consente di capire un fenomeno e di prevederne,<br />
quindi, l’evoluzione. La modellazione matematica, in particolare, consente di<br />
studiare i diversi aspetti di un fenomeno senza condurre un elevato numero di<br />
costosi e lunghi esperimenti. Nella predisposizione di un modello matematico,<br />
bisogna innanzitutto identificare tutte le variabili che influenzano il fenomeno,<br />
poi fare ipotesi e semplificazioni ragionevoli e quindi studiare la dipendenza di<br />
ciascuna variabile dalle altre. Individuate le leggi e i principi fisici corretti, il<br />
problema va formulato matematicamente e, quindi, risolto, usando l’approccio<br />
più opportuno. Infine, vanno interpretati i risultati.<br />
1.27 Quando si modella un problema ingegneristico, come si fa la giusta<br />
scelta tra un modello semplice ma grossolano e uno complesso ma accurato?<br />
Analisi Tra un modello grossolano e uno complesso la scelta più giusta è normalmente<br />
quella di optare per il modello più semplice in grado di fornire risultati<br />
adeguati. La scelta di modelli sofisticati ma molto complessi non è<br />
necessariamente la migliore in quanto tali modelli possono risultare difficili da<br />
risolvere e richiedere tempi lunghi. Bisogna, comunque, tener presente che un<br />
modello, per essere tale, deve essere in grado di rappresentare le caratteristiche<br />
fondamentali del problema.<br />
1.28 Qual è il ruolo <strong>dei</strong> pacchetti software nella pratica ingegneristica?<br />
Analisi I pacchetti software sono di grandissima utilità nella pratica ingegneristica,<br />
poiché consentono di risolvere problemi complessi in breve tempo e di<br />
condurre studi di ottimizzazione in maniera molto efficiente. Tuttavia, sono<br />
semplicemente degli strumenti che non possono essere usati con profitto da chi<br />
non conosce il problema in esame. Pertanto, la disponibilità di tali strumenti<br />
non rende certo superfluo lo studio tradizionale <strong>dei</strong> problemi di ingegneria.<br />
Dovrebbe, al più, spingere a spostare l’attenzione di chi studia più sugli aspetti<br />
fisici <strong>dei</strong> problemi che su quelli legati alla loro soluzione matematica.<br />
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<strong>Meccanica</strong> <strong>dei</strong> <strong>fluidi</strong> - 2 a ed. - Soluzione <strong>dei</strong> problemi Introduzione e concetti di base 9<br />
Riepilogo<br />
1.29 Usando la relazione fornita nel Problema 1.16, determinare il peso di<br />
una persona di 80 kg al livello del mare, a Sestriere (z = 2 035 m) e in cima al<br />
Monte Everest (z = 8 848 m).<br />
Analisi Il peso Pz di una massa m in funzione della quota z è dato dalla<br />
relazione<br />
per cui<br />
- al livello del mare:<br />
- a Sestriere:<br />
Pz = mgz = m (g0 − bz) = m (9,807 − 3,32 × 10 −6 z)<br />
P0 = mg0 = 80 × 9,807 = 784,6 N<br />
Pz = 80 × (9,807 − 3,32 × 10 −6 × 2 035) = 784,0 N<br />
- in cima al monte Everest:<br />
Pz = 80 × (9,807 − 3,32 × 10 −6 × 8 848) = 782,2 N<br />
1.30 La spinta sviluppata dal motore di un Boeing 777 vale circa 40 000 kgf.<br />
Quanto vale in kN?<br />
Analisi Essendo 1 kgf = 9,81 N, la spinta S vale<br />
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S = 40 000 × 9,81 = 392 400 kN = 392,4 kN
maggio 2011