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Teorema di Kutta-Joukowski

1902
  • Martin Kutta
  • Nikolai Zhukovsky (Joukowski)
Un profilo alare in galleria del vento che dimostra il teorema di Kutta-Joukowski e la generazione di portanza.

The Kutta-Joukowski theorem quantifies the lift force generated by an airfoil. It states that the lift per unit span ([latex]L'[/latex]) is directly proportional to the fluid density ([latex]\rho[/latex]), the free-stream velocity ([latex]V[/latex]), and the circulation ([latex]\Gamma[/latex]) around the body: [latex]L’ = \rho V \Gamma[/latex]. This links the abstract concept of circulation to the physical force of lift.

The Kutta-Joukowski theorem provides the essential mathematical link between the abstract concept of circulation and the physical force of lift. Circulation ([latex]\Gamma[/latex]) is a measure of the macroscopic rotation of a fluid in a given area. For an airfoil, circulation is generated because the air travels faster over the top surface than the bottom. This velocity difference, integrated around a closed loop enclosing the airfoil, results in a net non-zero circulation.

The theorem elegantly shows that to generate lift, there must be circulation. This resolved a major issue in early aerodynamic theory. However, the theorem itself does not explain how an airfoil of a specific shape generates the required amount of circulation. This is where the Kutta condition comes in. Proposed by Martin Kutta, the condition states that for an airfoil with a sharp trailing edge, the flow must leave the trailing edge smoothly. It cannot wrap around the sharp edge. This physical condition uniquely determines the exact amount of circulation ([latex]\Gamma[/latex]) for a given airfoil shape, angle of attack, and airspeed. By combining the Kutta-Joukowski theorem with the Kutta condition, one can theoretically calculate the lift on a 2D airfoil, a cornerstone of wing design.

The theorem also perfectly explains the Magnus effect, where a spinning object moving through a fluid experiences a force perpendicular to its motion. The spinning surface drags the fluid around with it due to viscosità, creating circulation. This circulation, combined with the forward velocity, generates a lift force according to the theorem, causing the object to curve.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Meccanica

Tipo

Theorem

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Helmholtz’s theorems on vortices
  • Lord Kelvin’s circulation theorem
  • Teoria del flusso potenziale
  • Tecniche di mappatura conforme sviluppate da Riemann e altri

Applicazioni

  • calcolo teorico della portanza sui profili alari
  • spiegare l'effetto magnus sulle palle rotanti (ad esempio, nel baseball, nel golf, nel tennis)
  • progettazione di rotori Flettner per la propulsione navale
  • sviluppo di profili avanzati per pale di eliche e turbine
  • comprendere la portanza generata dai vortici

Brevetti:

NA

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