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Perché un aereo rimane in volo?

Risposta diretta

Un aereo resta in volo perché le sue ali generano portanza pari al suo peso. Avanzando nell'aria, l'ala devia il flusso verso il basso e crea una pressione minore sopra che sotto; questa differenza spinge l'ala verso l'alto. La spinta dei motori mantiene l'ala sufficientemente veloce per questo, mentre la resistenza è ciò che la spinta deve vincere.

Perché un aereo rimane in volo?
Lufthansa Airbus A320-211 D AIQT 01Julian Herzog (Website) (CC BY), vía commons

La portanza è una differenza di pressione

Un'ala ha una forma e un'inclinazione tali che l'aria che passa sopra viene deviata verso il basso. Per deviare un flusso d'aria è necessaria una forza su quell'aria, e per la terza legge di Newton, l'aria spinge l'ala indietro con una forza uguale e opposta: questa reazione è la portanza. Visto dal punto di vista della pressione, lo stesso processo si manifesta perché l'aria sopra la superficie curva superiore si muove più velocemente e sotto più lentamente, per cui sopra c'è una pressione minore che sotto. Entrambe le descrizioni sono la stessa fisica, vista solo da angolazioni diverse; nessuna è completa senza l'altra. L'essenziale è che l'ala invia verso il basso una grande massa d'aria ogni secondo, e lo squilibrio di pressione risultante, sommato su tutta l'apertura alare, basta a sostenere l'aereo.

Velocità, angolo di attacco e densità dell'aria

La quantità di portanza dipende da tre cose che un pilota sente immediatamente: velocità di volo, angolo di attacco (l'angolo tra l'ala e l'aria che si avvicina) e densità dell'aria. Raddoppiare la velocità quadruplica la portanza, per questo un aereo di linea ha bisogno di una lunga pista di decollo per raggiungere la velocità a cui le sue ali possono sostenere 300 tonnellate. Aumentare l'angolo di attacco aumenta la portanza fino a un certo punto; oltre un angolo critico, il flusso si separa dalla superficie superiore e la portanza collassa — è lo stallo. L'aria rarefatta ad alta quota o nelle giornate calde riduce la portanza, per cui gli aerei in queste condizioni devono volare più velocemente per compensare, e a bassa velocità vengono estesi i flap per aumentare l'ala e curvarla di più quando non resta velocità sufficiente.

Spinta e le altre forze

La portanza da sola non spiega un volo sostenuto. Spingere l'aria lungo l'ala costa energia, perché l'ala genera resistenza oltre alla portanza, e i vortici che restano dietro le punte delle ali rappresentano energia cedita all'aria. I motori forniscono la spinta che vince questa resistenza. Nel volo orizzontale stabile, la portanza è uguale al peso e la spinta è uguale alla resistenza: nulla accelera, e l'aereo semplicemente continua il suo percorso. Un aliante usa lo stesso scambio, ma con la gravità invece dei motori, e scende dolcemente nell'aria per mantenere la sua velocità. La portanza statica non ha alcun ruolo in un dispositivo più pesante dell'aria; questo resta in alto solo finché si muove abbastanza velocemente perché l'aria faccia il lavoro.

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