Perché un aereo vola?

Un aereo in volo stabile è soggetto a quattro forze: portanza, peso, spinta e resistenza. Il peso lo tira verso la Terra. La spinta delle eliche o dei motori a getto lo spinge avanti. La resistenza, l'attrito dell'aria, agisce in senso contrario. La portanza, generata principalmente dalle ali, agisce verso l'alto e mantiene l'aereo in volo. Nel volo livellato e non accelerato, la portanza è pari al peso e la spinta è pari alla resistenza, e tutta la questione del perché un aereo vola si riduce a come un'ala genera portanza.

Un'ala ha una forma e un'inclinazione tali che l'aria che la attraversa viene deviata verso il basso. La terza legge di Newton offre la spiegazione più semplice: l'ala spinge verso il basso una grande massa d'aria, e l'aria spinge l'ala verso l'alto con forza uguale. La visione della pressione dice la stessa cosa in altri termini. L'aria che scorre sulla superficie superiore, curva e più lunga, e attorno all'ala inclinata, accelera e la sua pressione diminuisce, mentre l'aria sotto l'ala viene frenata e leggermente compressa. La differenza di pressione tra le due superfici, sommata su tutta l'area dell'ala, produce la portanza. Il principio di Bernoulli e le leggi di Newton non sono spiegazioni concorrenti, ma due modi di vedere un unico flusso; l'idea diffusa secondo cui l'aria sopra e sotto l'ala debba arrivare al bordo d'uscita nello stesso momento è sbagliata, e le immagini delle gallerie del vento mostrano che il flusso superiore arriva molto prima.

Due variabili sono decisive. La prima è la velocità di volo: la portanza cresce con il quadrato della velocità, per questo un aereo di linea ha bisogno di circa 250-300 km/h (135-160 kn) prima di potersi staccare dalla pista, e per questo può volare in crociera con molta meno potenza di quella necessaria al decollo. La seconda è l'angolo d'attacco, l'angolo tra la corda dell'ala e l'aria che si avvicina. Alzare il muso aumenta la deviazione dell'aria e la portanza, fino a un certo punto. Oltre un angolo critico, tipicamente 15-20 gradi su un'ala convenzionale, il flusso sulla superficie superiore si separa e la portanza collassa: è lo stallo, e gran parte dell'addestramento di base di un pilota ruota attorno a come evitarlo.

Una tavola piatta inclinata genera portanza, come dimostra qualsiasi aeroplanino di carta, e un'ala simmetrica vola perfettamente anche a testa in giù, per questo gli aerei acrobatici possono mantenere il volo rovesciato. I profili curvi vengono scelti perché generano portanza con minore resistenza e entrano in stallo in modo più graduale, non perché siano l'unico modo di volare. Flap e slat vengono estesi a basse velocità per aumentare curvatura e superficie, per questo l'ala di un aereo di linea in atterraggio appare così diversa dalla stessa ala in crociera. I motori non alzano l'aereo; forniscono la velocità di avanzamento che fa scorrere l'aria sull'ala, e un aliante, senza alcun motore, vola scambiando quota esattamente con quel flusso d'aria.