A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
U MBERTO C ISOTTI Scie limitate
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 2
esérie, tome 1, n
o1-2 (1932), p. 101-112
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di UMBERTO CISOTTI
(Milano).
1. - Scie illimitate.
È
ben noto il classicoproblema
della « scia »che,
iniziato da HELMHOLTZ(1868)
e KIRCHHOFF
(1869)
colla trattazione del moto traslatoriouniforme,
conscia,
diuna lamina
rettilinea,
ebbeampio
egenerale sviluppo
fino a culminare nella fondamentale memoria di LEVI-CIVITA: Scie eleggi
di resistenza(1906), ,
laquale
fupunto
dipartenza
di unaquantità
innumerevole di ricerche di Idro- meccanicapiana,
felicemente risoltegrazie
alpotente
ausilio che fornisce inquesto
genere diquestioni
la teoria dellefunzioni di variabile
complessa
e dellarappresentazione
conforme(1).
Giova richiamare brevemente
l’ipotesi
classica della scia.
Una
porzione
limitata C dipiano (fig. 1) (2),
circondata da fluido che oc-cupa tutta la rimanente
parte
illimitatadi
piano A,
è animata di traslazione uni-forme ;
C trascina nel suo movimentouna
parte
B del fluido che si estende indefinitamente apoppavia
e si muovecome se fosse solidale con
C;
il campo costituito dall’ insieme di B e C risultaseparato da A da una linea che segue due tratti Co’ e w" del contorne di C e
poi
sistacca, segnando
nei due tratti indefiniti À’ e ’~" il confine tra A e B.In A il moto è
supposto
stazionariorispetto
aC,
continuo e irrotazionale ed evanescente all’ infinito.Ricorrendo al ben noto artificio di
imprimere
a tutto ilpiano
una trasla-zione
opposta
aquella
diC,
tanto Cquanto B
si riducono allaquiete
mentrein A all’ infinito si ha una traslazione
opposta
aquella posseduta prima
da Ce B : si ottiene il moto di una corrente modificata dalla presenza dell’ ostacolo
~
(i) Vedi la mia : Idromeccanica Piana, Parte I, Milano, Tamburini (1921), Parte II (1922).
In seguito verrà indicata con la sigla I. P.
(2) I disegni delle figure a cura del mio Assistente prof. A. MASOTTI.
fisso C. L’andamento schematico di
quest’ ultimo
moto è ilseguente: all’ infinito~
sia a monte che lateralmente a
C,
i filetti fluidi scorronoparalleli
tra loro econ comune valore della
velocità; quelli
che continuano a mantenersi a distanza infinita daC, lateralmente,
non subisconoperturbazioni;
lo stesso nonpuò
dirsidi
quelli,
che pur scorrendo a fiancodell’ostacolo,
vanno avvicinandosi ad esso;ve n’ è
poi
uno - ilfilone g
-- checolpisce
l’ostacolo in unpunto
0 - laprora -, si arresta momentaneamente e si
bipartisce :
un ramopiega
asinistra, seguendo
il corso dellacorrente,
e l’altro a destra e,dopo
di aver lambito ilprimo
un tratto (2/ e 1’ altro un tratto Co" del contorno diC,
si staccano da C formando le due linee libere 03BB’ e A" che siprotendono
indefinitamente a valle.Gli altri filetti sono deviati senza subire nè arresti nè
sdoppiamenti.
2. - Scie limitate.
È possibile
che laregione B
sia limitata ? In caso affermativo le due linee libere 2’ e 2" devono avere unpunto
comune 8 a distanza finita. Cominciamoa stabilire che 2’ e 211 non possono
volgere
sempre la convessità al cam- po A. Basta infatti pensare che in talcaso nel
punto 8 (fig. 2)
i due filettipercorrenti
2’ e ~" devono incontrarsie
poi
fondersi in un unico filone che si estende indefinitamente a valle: la ve-locità deve annullarsi
dunque
in~S, perchè
cambia bruscamente direzione di unangolo
n(3).
Masopra À’
e~",
trattandosi di
peli
liberi(4),
la velocità deve avere il medesimo valore in tutti ipunti
di A’ e1",
essendo nulla indovrebbe avere valore nullo sopra tut- to 2’ e
A", quindi (5)
nulla in tutto A :il
problema
non ammettequindi
solu-zione. Si
può
allora pensare che 2’e ~" eventualmente
presentino
inparte
concavità e in
parte
convessità versoil
campo A,
inguisa
che nelpunto S
si abbia la fusione senza urto
(6)
di 2’ e2",
con che le velocità delleparticelle
--- ---
(3) I. P. n. 74.
(4) I. P. n. 36.
(5) La velocità viene espressa mediante una funzione di variabile complessa (I. P. n. 31) :
se è nulla in tutti i punti di una porzione finita e continua del contorno del campo A è nulla dappertutto.
(6) Cfr. CALDONAZZO : Sulla fusione di vene liquide. Rendiconti del R. Istituto Lombardo
f luide scorrenti su 2’ e su A" non subiscono brusche deviazioni nel riunirsi e
procedere lungo
ilfilone g,
a valle(fig. 3).
In tal caso tanto 2’quanto l",
am-messa la continuità delle
tangenti
e dellecurvature,
devonopresentare
almenoun
flesso,
ove la curvatura ènulla ;
a ciò
corrisponde
l’ annullarsi del va-lore della velocità
(7),
che dovrebbequindi,
come nel casoprecedente,
avere valore nullo su tutto 2’ e A".
Dunque 2’
e A" non possono avere flessi.Consideriamo ora il caso in cui 2’
e A"
presentano
costantemente la concavità verso A(fig. 4) ;
in tal caso nonappaiono
inconciliabili le condizioni di isotachicità delle linee 2’ el",
richiestedalla loro natura di
peli liberi,
collacondizione della fusione loro senza ur-
to,
nelpunto
S. Come pure è conci- liabile collepredette
condizioni il caso,messo in rilievo nella
figura 5,
in cuiuno dei
peli
liberivolge
sempre la convessità e l’ altro la concavità versola
regione
A(8).
Mi propongo
appunto, impostando
ed
approfondendo
l’ esame dellaquestione,
di mettere in rilievo la suapossibile trattazione, assegnando
infine la soluzionegenerale quando
lepareti rigide
Co’e Co" sono
poligonali
a lati rettilinei.di Scienze e Lettere ; Vol. LI (1918), pag. 317-328 e ancora : Vene confluenti con una regione
di spartiacque. Ibidem, Vol. LII (1919), pag. 149 e segg. Vedi anche I. P. pag. 101 e n. 156.
(7) Se w è la velocità complessa, f il potenziale cinetico e z 1’ affissa di un generico punto
di A, si ha (I. P. n. 31) da cui lungo una linea di flusso
essendo T il potenziale di velocità ; sia dls 1’ angolo di due tangenti infinitamente prossime,
la curvatura assoluta è da cui Scende da questa che,
mantenendosi limitata, è quando
(8) I citati lavori di CALDONAZZO mostrano la possibilità che i peli liberi presentino
anche la concavità dalla parte del liquido in movimento, contrariamente a quanto, in pre-
cedenza, aveva presupposto BRILLOUIN [Les surfaces de glissements d’ Helmholtz et la rési- stance des fluides. Annales de Chimie et de Physique; 8e série, t. XXIII (1911), pag. 150], che, in seguito a tale presupposto, aveva abbandonata l’ idea della scia limitata, già prospet-
tata molti anni prima [Questions d’Hydrodynamiqae. Annales de la Faculté des Sciences de Toulouse, t. I (1887), n. 34, pag. 54].
3. -
Impostazione
analitica.Riferiamo i
punti
di A a unacoppia
di assi cartesianiortogonali O ; x, y, coll’ origine
nella prora O e coll’ asse x orientato come la correnteall’ infinito,
eponiamo z =x + iy,
essendoz==~2013l.
Sieno al solito(9) :
ilpotenziale cinetico,
funzione diz; ~ = potenziale
divelocità,
V =-- funzione di corrente;con u,
w=componenti
secondogli
assi x e y dellavelocità ; w
èlegata
a f dallarelazione fondamentale
(10)
La funzione di
corrente V
deve mantenere uno stesso valore costante soprac~’, ÕJ", l’
eA",
trattandosi di una stessa linea di flusso(11) :
Il
potenziale
divelocità q
deve assumerelungo ogni
linea di flusso tutti i valori da - Qo a +00, nel senso del flusso(!2).
La velocità
complessa w
deve mantenersiregolare in A ;
sullepareti rigide w’,
Co" e sui
peli
liberi~,’, ~",
deve mantenersilimitata,
esclusi tutto alpiù
deipunti angolosi
che lepareti rigide
D’ e w" eventualmentepresentassero
in numerofinito.
Sopra l’
el",
trattandosi dipeli
liberi(13),
la velocità deve avere valorecostante,
per cui :sopra
se si indica con c il
predetto
valore costante. Chiamando infine V il valore assintotico della velocità dellacorrente,
dovrà aversi :Se si pone, col LEVI-CIVITA
(14)
colla determinazione co===0 per w= c, rimane definita una funzione
dei
punti z
diA ;
ilsignificato
dellaparte
reale 19 e del coefficiente z di i risultaimmediatamente, perchè
essendo(9) 1. P. n. 29 e 30.
(~)l.p.n.31.
(H) i. P. n. 32.
(~)l.p.n.98.
(~)l.p.n.36.
(14) i. P. n. 99.
risulta :
Riportando
alla funzione co le condizioni a cui deve soddisfare w inA,
si vedeche x deve mantenersi limitata in A e
può
tutt’ alpiù
divenirelogaritmicamente
infinita in eventuali
punti angolosi,
in numerofinito,
dellepareti rigide
CO, eíó";
inoltre,
per la(3),
~ ...sopra Per la
(4)
dovrà aversi:Conviene
precisare
fino da ora ilcomportamento
della velocità nelpunto
O diprora, che del resto è
quello
stesso messo in rilievo nelproblema
della scia inde-finita
(15).
Diciamo 2al’ angolo
delletangenti
inO,
nel senso delflusso,
1’ unaa c~’ e l’ altra a ãJ"
(fig. 6).
Se O non èpunto angoloso
per ilprofilo
èa= ~‘,
come nelle
figure
4 e 5. Sia bl’ angolo
della bissettrice alpredetto angolo
2a coll’ asse x ; è ~=0quando
si tratta diprofili
simmetrici e simmetricamente orientatirispetto
all’ asse x. Atteso ilsignificato
di 19 dovrà essere:tendendo a O
seguendo
Co’tendendo a O
seguendo
d~.Un’ altra condizione
riguarda
ipunti
di raccordo P’ e P" dellepareti
(D/ e (ùftcoi
peli
liberi 2’ e ~. Siccome 2’ e A" de-vono
volgere
verso laregione B
sempre laconvessità,
entrambe(fig. 4),
oppure una diesse
(fig. 5),
letangenti
comuni a el’,
in
P’,
e a Co" el",
inP",
devono com-portarsi
in modocompatibile
coll’ avverarsi dell’ una o dell’ altra delle due circostanze accennate.Concludendo : il
problema esige
la deter-minazione di una
f(z)
e di unam(z)
deipunti
di A soddisfacenti alle condizionisu
specificate,
tenendo contoche,
per la(1)
e la(5),
esse devono esserelegate
tra di loro dalla relazione
In
questioni
idromeccanichepiane
in cuiintervengono pareti rigide
epeli
liberi non è
possibile
assegnare apriori
la forma diquesti
ultimi per esuberanza dicondizioni,
ciò è ben noto(i6);
per cui anche nel caso attuale non sipuò
fare(15) 1. P. n. 99.
(16) I. P. n. 100, 130.
assegnamento
sullapreventiva
conoscenza del campoA,
che èincognito
apriori
a
cagione
dellaincognita
forma deipeli
liberi A’ e Si trattaappunto
di deter-minare
questi, supposti preventivamente assegnati
Co’ eÕJI!,
in modo che nelcampo A,
che risulterà aposteriori,
sieno verificate tutte le dovutecondizioni, specificate
inquesto
numero.4. - Riferimento a un semicerchio.
Converrà
pertanto
di riferire il campo A delpiano
in modo conformee
biunivoco,
nel campo semicircolare delpiano (fig. 7)
in modo che le due
pareti rigide
Co’ e w" ven-gano
rappresentate
sulla semicirconferenza1, i,
-1e i due
peli
liberi A’ e A" suldiametro -1,
1. Larelazione tra z e ~ che definisce
questa corrispon- denza,
non èassegnabile
apriori, essendo,
come sidisse, incognita
la forma deipeli
liberi 2’ eA";
verrà determinata a
posteriori, trasportando
nelsuaccennato semicerchio le condizioni a cui devono soddisfare il
potenziale
cinetico f e la funzione w(n.o 3). Assegnate
le funzioni ew(’),
avendosi:dalla
(10)
si ha:da cui
che
integrata,
porgela
quale,
notec~(~)
ef(~),
determina la cercata relazione tra ze ~ ;
in essa zo e ~orappresentano
unacoppia
dipunti
incorrispondenza
nei duepiani.
5. - La funzione
f(~).
Diciamo j=ei03C30
ilpunto
della semicirconferenza1, i,
-1corrispondente
allaprora O
(fig. 4) e j’
ilpunto
deldiametro -1,
1 checorrisponde
alpunto
in cui si fondono a
poppavia
ipeli
liberi À’ e ~". Se si pone :il campo semicircolare della
figura
7 vieneriferito,
in modo biunivoco econforme,
al
piano
forato circolarmente della variabile Z(fig. 8),
i contornicorrispon-
dendosi nel modo indicato nelle
figure
7 e8;
aipunti 1
interni al semicerchiocorrispondono
ipunti Z esterna ~>1,
inpartico-
lare al
punto ~=--i(C2-l) corrisponde
Z= co(~7).
Al
corrisponderà,
per la(12),
ilpunto
Ciò premesso, il
potenziale
cinetico diuna corrente del
piano Z
che investe ilprofilo circolare,
avente per prora ilpunto
~T equindi
per poppa ilpunto opposto
J’ e la cui velocità assin- totica ha per valore a è laseguente (111) :
La f definita dalla
precedente
è reale su tutta lacirconferenza Z ~ =1
e lasua derivata
è
regolare per i Z >
1 e si annulla solamente per Z=J e nelpunto opposto
Z= -Jdella
circonferenza ~==1,
come deve essereperchè
sonoquesti
i duepunti
delcontorno che
corrispondono rispettivamente
alla prora0,
allapoppa S
in cuila
corrispondenza
conforme tra ipiani Z
e f deve fare eccezione.Per mezzo della
(12) potremo
riferire la f alsemicerchio ~;
siottiene,
tenendopresenti
le(13),
Derivando,
si ricava :e, avendosi dalla seconda di
(13)
in definitiva :
Da
(12)
si deduceche, per ~ reale,
è(17) Cfr. la mia Nota : Correnti circolatorie locali intorno a regioni di acqua morta.
Rendiconti della R. Accademia Naz. dei Lincei, Vol. XIII (l- sem. 1931), pag. 86.
(18) 1. P. n. 72.
ne segue che per si avrà
quindi,
per la seconda di(13),
haluogo
laseguente
relazionetra j’
e ao :Risulta da
questa che,
se0 ao 2
ilprimo
membro è > 0 per cuij’ o ;
il
primo
membro è perQo = 2 è j’ = o.
6. - La funzione
Riportiamo
al semicerchio le condizioni allequali
deve soddisfare la fun- zione w(n.° 3). Anzitutto,
per la(7),
w dev’ essere reale suldiametro -1,
1e
regolare
entro ilsemicerchio,
per cui èsviluppabile
in una serie dipotenze positive die
a coefficienti
reali,
apriori
indeterminati. Sullasemicirconferenza 03B6= ei03C3,
sia noto l’ andamento della
parte
reale 29 di allora bastaapplicare
laseguente
formula
(i9),
che scende immediatamente daquella
ben nota di Schwarz :perchè
la funzione w sia determinata. Si noti bene che deve avere nellaprora 0,
cioè per 0= 00, ilcomportamento
indicato dalle(9),
cioèinoltre nei
punti
P’ eP", corrispondenti
a eo=0, ~9~(~)
elS(0)
devonodare il
comportamento qualitativo
conciliabile colle circostanze accennate al n.° 3e messo in rilievo nelle
figure
4 e 5.Una volta nota
u~(~),
la(11),
per la(15),
fornisce la relazione tra z e ~ e,in particolare, permette
di determinare ipeli
liberi A’ e A"che,
comesappiamo,
sono a
priori incogniti.
(19) 1. P. pag. 17, formula (II).
7. - Soluzione
corrispondente
aprofili poligonali.
Si divida
1’ arco j, -1, luogo
deiin p parti
e sieno0/, 02’,...., gli argomenti
deipunti
didivisione,
in ordine crescente;parimenti
sidivida
1’ arco j, 1, in q parti
e sieno62",...., 6q"
= 0gli argomenti
deipunti
didivisione,
in ordine decrescente apartire
da 60 .Applicando
la formula(IV)
di pag. 19 della I. P. si ottiene la formula :che definisce w funzione
regolare
di 03B6 nelsemicerchio |03B6| 1, ~ > 0,
reale sull’ assereale e la cui
parte
reale P assume sulla semicirconferenza1=ei",
ivalori
seguenti :
Atteso il
significato
dellaparte
reale lS di w(n.° 3),
dalle(20’)
scende che la pa- rete ÕJ’ è unapoligonale di p > 2
latirettilinei,
inclinati sull’ assereale,
nel sensodel
flusso,
ordinatamentedegli angoli {}~’, ~2~."~ ~’ Analogamente,
dalle(20")
risulta che w" è una
poligonale
diq ~ 2
latirettilinei,
inclinati sull’ assereale,
sempre nel senso del
flusso, degli angoli ~2~....~ i9qfl-
Le condizioni
(18)
sono soddisfatte assumendo:Poniamo,
tenendo conto di(19)
e delleprecedenti:
La relazione tra z e ~ si ottiene dalla
(11)
sostituendoviquesta espressione,
conche si ha
essendo
la af
definita dalla(15).
’°
Chiamando
lr
lalunghezza
del lato dellapoligonale
d/ avente per estremi ipunti
e siha,
per la(23),
analogamente,
chiamandols"
lalunghezza
del lato dellapoligonale à3",
aventeper estremi i
punti
si ha :Le p
relazioni(24’)
ele q
relazioni(24")
determinano ip + q - 1
argo-menti a,,
6~’,... a’p-i, 6~",....
checompaiono
inP(1)
e la costanteche,
con ao interviene nella
espressione (15)
dipermettendo
in definitiva di intro- d03B6durre nella relazione
(23)
tra z e 03B6 lelunghezze
dei lati deiprofili
Co’ e ÕJ" ele loro inclinazioni sull’ asse reale. Si
tenga
conto ancora che i lati estremi dellepoligonali, quelli
cioè che devono raccordarsi coipeli
liberi A’ e ~" e le cui incli-nazioni sull’ asse reale abbiamo indicate con
i9p’
elsq",
devono avere valoritali,
di
queste inclinazioni, compatibili
colle condizioni accennate inproposito
nel n.° 3.Velocità. - Per la
(22)
lavelocità,
definita da(5),
risultaPer , i
corrispondente
al punto all’ infinito(n.O 5),
si ha perFacendo in
questa
successivamenteah’,
e sostituendo nella(25),
sideduce la
seguente espressione
per il valore della velocità della corrente all’infinito:Questa formula
precisa
illegame
tra il valore della velocità assintotica dellacorrente,
il valore della velocità suipeli
liberi egli
elementi chedipendono
dallaconfigurazione geometrica
e orientazione dellepareti rigide
d/ e d/B In quantoalla direzione assintotica della corrente, essa è fornita dalla
seguente
relazione:ed
essendo,
per(21),
si ha in definitiva :
Rammentiamo che si è assunto 1’ asse reale come direzione assintotica della cor-
rente,
per cui dovrà essere nullo ilpredetto argomento;
ciòporta
allaseguente
relazione
Nel caso di simmetria
rispetto
all’ assereale, avendosi :
la
(27)
risulta identicamente soddisfatta.Velocità sui
peli
liberi. - Si è visto che ipeli
liberi À’ e A"’corrispondono
ai
punti ~
deldiametro - 1, 1
del semicerchio(n.° 4) : precisamente percorrendo 2’
dal
punto
P’ alpunto S, ~
varia da -1a j’
epercorrendo
À" da P"a S,
03B6 varia da 1a j’ ;
alpunto 8
in cui si fondono i duepeli liberi, corrisponde 03B6 = j’
legato
a 6o dalla relazione(16).
Avendosiper ~
reale edalla
(25)
si deduce1 w = c,
come doveva essere(n.° 3) ;
inoltreQuesta relazione definisce la direzione della velocità in
ogni punto
di ciascunodei
peli
liberi 2’ e 2r1. Inparticolare,
per(=j’
si ha la direzione della velocità inS,
cioè dellatangente
nelpunto cuspidale.
Nel caso di simmetria
rispetto all’ asse x,
èj’ = o,
oltreper cui
ponendo
in(28) C=O
si ottiene comedoveva essere.
8. - Cenno di alcuni casi
particolari.
Assumendo :
si ha il caso di un
profilo
bilatero H’ OH" con alette H’P’ e H"P"(fig. 9);
w’ è
dunque
costituita dalsegmento OH’,
che forma coll’ asse xl’angolo 03B4+03B1
e del
segmento H’P’,
che formacon OH’ Co" è for- mata del
segmento OH",
incli-nato di ó - a sull’ asse x e del
segmento H"P",
che forma conOH"
1’ angolo (n ° 3)
con-tinua a
rappresentare
l’inclina-zione sull’ asse x della bissettrice
dell’ angolo
2a formato dai duesegmenti
OH’ e OH".Se
~==~=0,
si hanno icasi illustrati dalle
figure
10 e 11 ecorrispondenti rispettivamente
Per
a = 2
si ha il caso messo in rilievo nellafigura
12. Se èpoi
anche ó==0si ha la simmetria
rispetto
all’ asse x(fig. 13).
Il