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23 commenti

Perché le antenne radio delle auto hanno una spirale? E che nesso c’è con i grattacieli?

Credit: Wikipedia.
Me l’ero sempre chiesto: sulle antenne radio delle auto noto spesso una nervatura elicoidale inglobata nel rivestimento. Ce l’ha la mia auto attuale e l’aveva anche quella precedente. Avevo immaginato che servisse per la ricezione radio, ma mi è venuto l’uzzolo di scoprirlo ed è emersa una piccola ma affascinante storia di scienza che collega le antenne delle autoradio alle ciminiere e al Burj Khalifa, il grattacielo più alto del mondo.

Ho raccontato questa storia nel numero 580 di Le Scienze, in edicola in questi giorni, perché mi sembra un bell’esempio della scienza che spesso si nasconde fin troppo discretamente dietro gli oggetti che usiamo tutti i giorni. Se volete saperne di più, questi sono alcuni dei miei testi di riferimento.

Automobile antennas: radial ribs (Physics Forums).

Science Focus: von Karman Vortices (NASA).

Why do chimneys have these spiral “wings”? (Physics.stackexchange.com).

Spiral Wrapping Tubes to Reduce Drag (Locostusa.com).

Burj Khalifa - How To Build Higher (Real Engineering).


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Commenti
Commenti (23)
Non so se sia per questo ma potrebbe essere una questione aerodinamica. Nel mio citroen ds familiale del 1973, originariamsntd progettato mel 1957, il portapacchi fisso sul tetto ha nella parte anteriore i traversi non fatti in semplice tubo ma in tubo spiralato tipo tortiglione. Mi dissero che era per evitare risonanze aerodinamiche. È vero?
Nb. Sono anche radioamatore per cui la cosa mi intriga non poco.
aiuto: uno di quei momenti in cui esce il secchione che è in me, alzando la mano "io, io, io, lo so"

L'ho visto in un documentario su un superponte (credo quello sul Bosforo, ma vado a spanne): una sezione del cavo che regge la campata in camera del vento, diametro credo 80cm per un paio di metri di lunghezza, sia in versione liscia che con questa lunga spirale "a fusillo".
E la differenza di oscillazione quando questo cavo era sottoposto al vento equivalente a quello massimo registrato nell'area del ponte.

Urca!
Che io sappia, la "spirale" è una bobina per accordare l'impedenza tra autoradio e antenna (Pulex, piacere, IK1TVW).
Se poi ci sono anche motivi estetici, non saprei.
Vorrei precisare che in serie all'antenna c'è anche una resistenza per evitare shock elettrici nel caso questa venisse in contatto con una cavo in tesione.
Serve per non farla entrare i risonanza e mettersi a fischiare
sulle ciminiere si usa per motivi aerodinamici, in quanto serve per ridurre le oscillazioni indotte dall'azione del vento (vortex shedding). Credo che per lo stesso motivo si usi anche sulle antenne delle auto.
Per quanto riguarda le antenne, il cono di spirale alla base l'ho visto su quelle ad alta potenza di trasmissione, es. le auto della polizia (anche in incognito, le auto-civetta). Suppongo servano a non fare antenne lunghe molti metri.
Per quanto riguarda le funi, la spirale dà maggior resistenza di torsione e di trazione.
Non sapevo invece del motivo aerodinamico: è plausibile nel caso di edifici, pali o ciminiere stretti ed alti, a quanto pare un bordo a spirale spezza il vento forte evitando che la struttura entri in risonanza e aumenti le oscillazioni.
Iz3qaq. 73. K
Il primo link si impagina male sul telefono e non si legge niente 😑
Quella spirale esterna non ha nulla a che fare col funzionamento elettrico. Anche il filo di rame interno, quello per farla funzionare da antenna, ha un avvolgimento a spirale, ma la sua sezione è tale da non esser visibile da fuori. La spirale visibile viene montata tipicamente sulle antenne sopra ai 20cm di lunghezza, mentre molte delle recenti versioni sotto ai 20cm non ce l'hanno. Fra gli addetti ai lavori è nota come "antifruscio". Serve per scopi aerodinamici, come molti hanno intuito. Senza quella, a velocità significative, lo stelo dell'antenna può emettere un sibilo ben udibile e/o avere delle instabilità meccaniche che lo portano ad oscillare da una parte all'altra.
Serve a produrre un rilascio disorganizzato di vorticità che, altrimenti, si genererebbe lungo una generatrice del cilindro producendo così più resistenza abbinato ad un fastidioso sibilo/fischio.
Lavoro nel settore delle telecomunicazioni da quasi 20 anni come RF Engineer per un operatore di Tlc italiane.
Mi è capitato molte volte di dover utilizzare antenne omnidirezionali a "stilo" (come le chiamiamo in gergo), come ad esempio le Kathrein mod 80010747 (qui il datasheet https://www.kathrein.de/fileadmin/media/produkte/imports/mca/9363951.pdf), ma nessuna di esse adotta questo principio costruttivo...e si che, qundo gli ingegneri ci fanno i calcoli statici per vedere se i pali reggono, la prima cosa che mettono sul piatto è la resistenza al vento e tutto quello che e consegue, considerando che stiamo parlando di corpi di molti kg e lunghe 3 metri portati a mediamente 27-30 metri di altezza.
Ma allora mi chiedo: se per le ciminiere può aver senso per ovviare al problema "von Karman", perchè sulle antenne Kathrein omnidirezionali questo non è più valido...mentre il tutto ritorna nelle antennine per le autoradio?

Interessante spunto di approfondimento.
Leggendo le altre spiegazioni sembra che nelle antenne piccole si voglia evitare il sibilo più che risolvere delle criticità strutturali.
Ragazzi, scusate, ma la mia Fiesta non ha alcuna bobina e lo stilo non fischia. :))
E' di bellezza.
Diego,

credo perché il le masse d'aria intorno alle antenne per auto raggiungono sistematicamente velocità elevatissime, e vi sono persone molto vicine, che possono essere disturbate dalle onde acustiche provocate.

Come dice l'articolo, bisogna distinguere due problemi diversi: per pali, grattacieli, ciminiere e ponti sono strutturali. Per antenne soggette a velocità del vento elevate invece si parla solo di vibrazioni acustiche spiacevoli.
Io ricordo perfettamente le oscillazioni spaventose delle antenne "diritte" di una volta. Alla fine si rovinavano o, addirittura, si spezzavano.

Penso che la spirale serva proprio a evitare che l'antenna vada in risonanza per effetto del flusso d'aria che la colpisce. Poi, che sia il vento a soffiare o l'antenna a muoversi... tutto è relativo :-)
La Fiesta di Andrea non fa testo, é troppo lenta
Le antenne con la spirale non vogliono figli. È una scelta loro e la dobbiamo rispettare.
Piccola pillola.
Senza voler andare troppo nel dettaglio, visto che si può tranquillamente cercare in rete, un'antenna per la ricezione ad esempio dell'88-108 MHz dovrebbe, per rendere onestamente, essere lunga almeno 1/4 d'onda (che è il minimo per un rendimento resistivo puro), ovvero circa 75cm.
Ovviamente sarebbe un tantino lunga per gli standard degli ultimi anni, anche perché dovendo polarizzarla in verticale (visto che ad esempio le emissioni delle antenne delle stazioni trasmittenti in FM 88-108MHz sono erogate da dipoli accoppiati in polarizzazione verticale) e magari dandole un piano di massa ottimale, ovvero a centro tetto del veicolo, con tale lunghezza non entreremo più in garage (ecco perché esistevano le antenne estraibili con motorino... le ricordate?), si possono anche ripiegare verso la carrozzeria con un galletto o altro, ma bisogna scendere dalla macchina...
La soluzione, evitando quella dell'Alfasud di Pasquale Ametrano, è quella di "caricare" la base dell'antenna con un'induttanza, che ha lo scopo di ridurre l'effetto capacitivo derivato dall'accorciamento della stessa.
Ecco quindi spiegato l'arcano.
Si parla quindi di antenne omnidirezionali, polarizzate il più possibile in verticale (pena un'attenuazione del segnale notevole e la perdita parziale di omnidirezionalità in favore di una pseudo direttività della stessa), caricate alla base con un'induttanza opportunamente calcolata.
Naturalmente il rendimento dell'antenna caricata non è uguale a 1/4 lambda (o mezz'onda) naturale, inoltre la carica induce anche un restringimento della banda (nel senso che agli estremi il rendimento è più basso, essendo le antenne tarate sempre a centro banda).
Va precisato inoltre che in trasmissione (dove anche qui vengono utilizzate spessissimo antenne caricate, vedere per esempio le antenne dei portatili) l'effetto è ancora più importante, ovvero il decadimento di prestazioni in db è piuttosto elevato e l'antenna ai limiti di banda spesso (in casi di antenne ovviamente non da portatili) ha bisogno di essere accordata, tramite appunto accordatori manuali o automatici e lettura delle onde stazionarie, spesso molte antenne si possono anche accordare manualmente, certo se sono sul tetto non se ne parla, una volta accordata ciao :)
Sempre sul rendimento aggiungo il fattore di perdite di inserzione (a causa per esempio di adattatori posti tra antenna e stadi di ricezione o trasmissione), che influiscono anche in questo caso più sulla trasmissione che sulla ricezione.
Quest'ultimo aspetto e direttamente proporzionale alla frequenza utilizzata: più si sale di frequenza più le perdite delle linee di cavo influiscono, in perdita di db/metro e rumore (nel caso della ricezione).
L'aggiunta di pre in ingresso non migliora "drasticamente" la situazione (come molto spesso viene fatto credere), specie quando si parla di pre da poco (un vero pre costa centinaia di euro, non 50 euro), è sempre meglio quando possibile avere cavi corti e soprattutto non arrotolati (orrore) e nel caso di cavi rigidi, non piegati oltre le specifiche del costruttore...
"Ecco quindi spiegato l'arcano."

Interessante ma... quale arcano? L'articolo parla di una spirale di materiale non conduttore avvolto intorno all'antenna. Non di una induttanza "alla base" dell'antenna.
@pgc

Commentare su certi forum talvolta è proprio una perdita di tempo in effetti, quando mai ahahah.
E il bacon attorno non ce lo vogliamo mettere?
scusa, ma non capisco il tuo ultimo commento. Puoi spiegarti meglio?