Il volo umano: come volano gli aerei?

Tutti noi abbiamo visto almeno una volta nella vita un aereo, a terra o in volo. Una domanda assolutamente normale da porsi è come faccia un aereo, con le sue (tante) tonnellate di alluminio, a staccarsi da terra. Questo è probabilmente uno dei maggiori prodigi della scienza contemporanea, insieme all’addomesticazione dell’energia nucleare. In questo articolo vedremo di rispondere a questa domanda nel modo più semplice possibile.

 

 

Le basi: cos’è il Volo

Il volo possiamo descriverlo molto sinteticamente come la capacità di vincere la forza peso. Questa è infatti la cosa che ci tiene costantemente attaccati al suolo.

Dove non c’è gravità, non ha senso parlare di volo.

Si dice che in assenza di gravità o in microgravità (in orbita attorno a un pianeta) si fluttua nel vuoto. Questo appunto perché il volo è intimamente legato allo staccarsi da terra, e una volta fuori dall’influenza della gravità perde di significato.

Quando si parla del volo, si devono distinguere tre modi diversi di far volare un oggetto. C’è il volo dato dalla spinta di un motore per sollevare l’oggetto, il volo dato dal galleggiamento in aria (di cui non parleremo), e il volo “più raffinato” in cui si usa l’aerodinamica.

Il primo modo è assolutamente vecchio come il mondo, o come la polvere da sparo. Infatti, è il modo che hanno sempre usato i razzi per volare. In questo caso, la spinta del motore, che non è detto sia solo un razzo, fornisce la forza necessaria a vincere la forza di gravità. In questo caso non esistono ausili aerodinamici. Sarebbero completamente inutili, in quanto generebbero solamente resistenza ulteriore, da contrastare con un motore più potente.

La più interessante modalità di volo, secondo l’autore, è quella che sfrutta l’aerodinamica. Infatti, non ci vuole molto per mettere un esplosivo (motore a combustibile solido) in un tubo chiuso da un lato e attaccarci un carico, come si fa sui razzi. È molto più interessante l’uso delle ali, con la possibilità di utilizzare un motore sempre meno potente, sfruttando la fisica.

Le forze del volo

Quando si parla di aerodinamica, si deve fare un primo passo indietro. La prima cosa che si legge in un qualsiasi libro di aeronautica riguarda le forze che regolano il volo. Abbiamo già introdotto la forza peso, che non necessita di particolare approfondimento. Abbiamo poi un’altra forza: quando si muove un oggetto in aria, o in moto relativo con qualsiasi fluido, genera infatti una forza aerodinamica.

Forza aerodinamica

La forza aerodinamica è provocata da qualsiasi oggetto in moto relativo nel fluido. Come ogni forza, è un vettore e possiede quindi una direzione e un verso. La direzione di questa forza è molto importante. Infatti, può andare da parallela ma con verso opposto all’avanzamento a un angolo qualsiasi entro i 90° alla direzione di avanzamento. Il secondo caso è un caso limite che si otterrebbe in mancanza di viscosità del fluido.

Questo vettore, come tutti, può essere scomposto in due vettori, dai nomi particolarmente noti: Resistenza e Portanza. La resistenza è la forza nella direzione di avanzamento dell’oggetto e la portanza è perpendicolare alla resistenza (sempre). Se la portanza è orientata verso il basso, si parla di “deportanza”.

La resistenza c’è sempre nel mondo reale, qualsiasi sia la forma del corpo. Il suo valore è dato dalla forma del corpo e dalla viscosità del fluido. Si può provare a diminuirla con forme sempre più “aerodinamiche” e affusolate, ma non si può mai togliere del tutto, perché non esistono fluidi non viscosi.

 

 

La portanza è quella componente della forza aerodinamica che viene utilizzata per sollevarsi da terra. Se si guarda quello che si è detto in precedenza sulla portanza, in un aereo sarà diretta verso l’alto, e, se si vola in linea retta perfettamente orizzontale, (per il primo principio della dinamica) basterà che questa forza sia uguale alla forza peso per rimanere in volo.

Quando si deve cambiare altitudine si agisce sulla portanza, aumentandola o diminuendola a seconda che si debba salire o scendere.

Solo una cosa può contrastare la resistenza dell’oggetto nel fluido: la spinta. Questa è la forza impressa dai motori, nonché la quarta forza fondamentale del volo. Questa serve soltanto a bilanciare la resistenza, se si è in condizioni di velocità uniforme. Serve anche per cambiare valore alla portanza, per permettere i cambi d’altitudine.

Come vola l’aereo?

 

 

Abbiamo visto le quattro forze fondamentali, ma abbiamo risposto al primo quesito solo in parte. Per volare serve la portanza, ma non sappiamo molto altro.

La portanza viene creata già con una lastra piana messa in una corrente di fluido. Solitamente, si usano i cosiddetti profili alari per volare, perché hanno due vantaggi rispetto alle lastre piane. Provocano più portanza, anche ad angoli prossimi allo zero (se asimmetrici), e molta meno resistenza. La portanza viene generata dalla curvatura del profilo alare, soprattutto in prossimità del bordo d’attacco, che è la prima parte del profilo impattata dal fluido.

Questa curvatura provoca un’accelerazione (nota: sempre per il primo principio della dinamica, per cambiare traiettoria bisogna avere un’accelerazione). L’accelerazione provoca un cambiamento di pressione. Vi è quindi un effettivo “risucchio”, da parte dell’aria, che provoca il volo. Questo risucchio è quello che permette di staccarsi da terra vincendo la forza peso.

Fonti

1. D. Anderson, Introduction to flight, 8th edition, McGraw Hill Education
2. D. Anderson, Fundamentals of aerodynamics, 5th edition, McGraw Hill Education