La fisica del volo: ma perché gli aerei non cadono?

Dal profilo alare al concetto di portanza: scopriamo insieme la fisica di uno dei mezzi di trasporto più utilizzati al mondo.

È il 17 dicembre 1903 e i fratelli Orville e Wilbur Wright hanno appena effettuato il primo volo della storia con un mezzo motorizzato, esaudendo uno dei desideri che più ha accomunato l’intera storia umana: quello di volare. A distanza di poco più di un secolo, l’aereo è diventato uno dei mezzi di trasporto preferiti dai viaggiatori di tutto il mondo, rivoluzionando il nostro modo di spostarci e rendendo accessibili anche mete distanti tra loro migliaia di chilometri. Ma come fa un aereo a volare e qual è la fisica che lo rende il mezzo di trasporto più sicuro al mondo?

Per poter studiare l’equilibrio del velivolo e rispondere al quesito “Perché un aereo vola?” occorre, come si è soliti fare nello studio della Fisica, analizzare le forze in gioco. Ma dove agiscono queste forze? È necessario introdurre un profilo alare di riferimento.

Il profilo alare: che cos’è e perché è importante

Il profilo alare è dato dalla forma della sezione trasversale dell’ala. La forma tipica è quella a goccia ma non tutte le ali presentano lo stesso profilo: a seconda della loro forma, infatti, i profili possono essere classificati in varie categorie. Ogni profilo è caratterizzato da una linea di riferimento (chiamata corda alare), dalla linea superiore dorsale (estradosso) e dalla linea inferiore ventrale (intradosso). Fondamentale è anche l’angolo di incidenza, definito come l’angolo tra la corda alare e il vento relativo. Esso rappresenta il principale strumento da parte del pilota per controllare l’aereo.

Le forze che agiscono sull’aereo

Durante il volo, sul profilo alare agiscono essenzialmente quattro forze: la forza peso (F), la trazione (T), la resistenza (R) e la portanza (P). Analizziamole nello specifico.

La forza peso è la forza con cui un qualunque corpo dotato di massa viene attratto verso il centro della Terra: essa è direttamente proporzionale alla massa del corpo ed è sempre diretta verticalmente verso il basso. È questa la forza per la quale temiamo che l’aereo possa precipitare.

La trazione, detta anche spinta, è la forza fornita dall’elica o dal reattore. L’elica è formata da pale che hanno un profilo molto simile a quello dell’ala dell’aereo e che ruotano velocemente attorno ad un perno centrale, generando un forza che sospinge il velivolo in avanti. Il reattore è una turbina a gas che, dopo aver aspirato l’aria anteriormente, getta un flusso di gas ad altissima velocità dalla porta posteriore. Possiamo immaginare il risultato come un palloncino gonfio dal quale viene lasciata uscire l’aria: esso si muove in avanti man mano che l’aria fuoriesce dall’apertura. La spinta, pertanto, è quella forza che permette all’aereo di avanzare lungo la sua direzione.

La resistenza è data principalmente dal contributo di due forze: la resistenza di forma e la resistenza indotta.

La resistenza di forma, che può essere trascurata per apparecchi che si muovono a bassa velocità, dipende dalla forma del profilo esposto al vento. La resistenza indotta, invece, ha la sua massima influenza quando le velocità sono basse e diviene via via meno influente all’aumentare della velocità. La resistenza totale, data dalla somma dei due contributi, è quella forza che si oppone all’avanzamento del velivolo.

La forza che consente all’aereo di staccarsi da terra andando verso l’alto è detta portanza: essa non è altro che la spinta ricevuta dall’ala a causa della differenza di pressione tra la sua superficie inferiore e la sua superficie superiore.

In qualunque fase del volo, per volare in volo rettilineo e a velocità costante, la risultante delle forze deve essere nulla e le forze uguali a due a due. Se la trazione è maggiore della resistenza l’aereo accelera. Se aumenta la portanza rispetto alla forza peso, l’aereo aumenta la sua quota.

Ma come si genera la portanza e perché estradosso e intradosso sono sottoposti ad una
pressione differente? La causa della differenza di pressione tra le due superfici risiede nel noto teorema di Bernoulli.

Il teorema di Bernoulli: come si genera la portanza

Il teorema di Bernoulli è la legge più importante della fluidodinamica. Esso ci insegna che ad una minore velocità corrisponde una pressione più alta e, viceversa, ad una velocità più alta corrisponde una pressione più bassa.

Il profilo dell’ala, con la sua particolare forma a goccia, permette all’aria di scorrere con due velocità differenti sull’estradosso e sull’intradosso. Nello specifico, l’aria
scorre con velocità maggiore sulla parte superiore dell’ala e con velocità minore lungo la superficie inferiore. Per il teorema di Bernoulli, pertanto, si genera una differenza di pressione tra le due superfici: l’aria esercita sull’ala una forza di pressione dal basso verso l’alto maggiore rispetto alla forza esercitata dall’alto verso il basso. La differenza tra le due forze prende il nome di portanza: essa è diretta verso l’alto e cresce all’aumentare dell’angolo di incidenza.

Seguendo lo stesso principio, è possibile definire la deportanza: essa si genera quando la differenza di pressione tra le due superfici causa una forza diretta verso il basso. Si
tratta del fenomeno opposto alla portanza: nelle applicazioni meccaniche, la deportanza spinge il veicolo (ad esempio un’automobile) verso il suolo, aumentandone l’aderenza.

Facciamo un esperimento

In un primo momento potrebbe sembrare complesso comprendere il funzionamento di portanza e deportanza, ma almeno una volta nella nostra vita abbiamo generato queste due forze utilizzando soltanto le nostre mani. Quante volte, durante un viaggio in auto, abbiamo messo una mano fuori dal finestrino e ci siamo divertiti a sentire la sensazione del vento che scorre attraverso le nostre dita?

Quando la mano è parallela alla strada la spinta ricevuta sarà neutra, tuttavia alzando le
punte delle dita e variando l’angolo di incidenza si avverte una forza diretta verso l’alto (portanza) e abbassando le dita si sente una spinta verso il basso (deportanza).

Sapevate che…

Leonardo da Vinci, considerato il più grande genio della Storia, studiò per anni la meccanica del volo, sperando di trovare un modo che consentisse all’uomo di poter
volare. Unificando l’osservazione della natura ai calcoli ingegneristici, egli osservò a
lungo il comportamento dei volatili, comprendendo ben presto che il volo sarebbe stato riproducibile attraverso l’applicazione di leggi puramente meccaniche. Tra le idee dell’inventore, la più rivoluzionaria è indubbiamente quella dell’ornitottero: si tratta di una macchina volante progettata per funzionare imitando lo sbattimento delle ali di un uccello. Egli comprese che, grazie al movimento delle ali, gli uccelli sono in grado di sfruttare le proprietà di un fluido come l’aria, generando una forza che consente loro di volare. Le sue intuizioni, quindi, anticiparono quello che sarebbe stato formalizzato come principio fisico secoli più tardi. Leonardo non riuscì mai a far volare il suo ornitottero perché all’epoca non era stata sviluppata una tecnologia in grado di generare una propulsione sufficiente al volo dell’apparecchio. Il primo
ornitottero capace di volare venne costruito in Francia soltanto nel 1870.

a cura di Giada Cacciapaglia