Perché un aereo riesce a vincere la gravità?

La formulazione comune suggerisce una lotta tra due forze, e vale la pena correggerla. La gravità agisce su un Boeing 787 in volo di crociera esattamente come sullo stesso aereo a terra: il suo peso non diminuisce di un solo grammo a 11.000 metri di quota. Quello che accade realmente è che compare un'altra forza, di origine completamente diversa, che la equilibra. Quando due forze opposte hanno la stessa intensità, la forza risultante è nulla e il corpo mantiene il proprio stato di moto: è la prima legge di Newton, e dietro al volo orizzontale non c'è altro.

Lo stesso principio spiega perché un tavolo "vince" la gravità sostenendo un bicchiere, o perché una nave non affonda. Ciò che distingue l'aereo è l'origine della forza che la equilibra: non un sostegno solido né la spinta idrostatica, ma l'interazione dinamica tra una superficie e un fluido che si muove rispetto a essa.

L'ala, avanzando, devia verso il basso una massa considerevole di aria. Per la terza legge di Newton, l'aria reagisce spingendo l'ala verso l'alto con la stessa intensità. Dal punto di vista della pressione, il flusso curvato sopra la superficie superiore accelera e la sua pressione diminuisce, mentre sotto la superficie inferiore la pressione è leggermente più alta; l'integrale di questa differenza su tutta la superficie alare è la portanza. Sono due descrizioni dello stesso fenomeno, non due cause distinte.

L'intensità cresce con il quadrato della velocità, con la superficie alare, con la densità dell'aria e con l'angolo di attacco. L'unica vera condizione per restare in volo è quindi mantenere un flusso d'aria sufficiente sull'ala. I motori non sostengono l'aereo — su un aereo di linea la loro spinta è dell'ordine del 25-30% del peso, ben al di sotto di quanto servirebbe per mantenerlo in verticale — ma compensano solo la resistenza aerodinamica per mantenere la velocità necessaria.

Restare in volo ha un prezzo. Generare portanza provoca resistenza indotta, l'energia persa nei vortici alle estremità delle ali, e l'avanzamento genera resistenza parassita. Il carburante viene consumato interamente per vincere questa resistenza, non la gravità. L'efficienza di un progetto si misura con il suo rapporto di efficienza (lift-to-drag): circa 17 in un moderno aereo di linea, oltre 50 in un aliante da competizione e circa 4 in un caccia supersonico.

Qui emerge chiaramente la differenza tra equilibrare e vincere. Un aliante non ha motore e resta in volo per ore; scende molto lentamente rispetto all'aria circostante, mentre cerca masse d'aria ascendenti che salgano più velocemente di quanto esso scenda. Un elicottero ottiene lo stesso risultato con un'ala che ruota invece di avanzare. Un razzo, al contrario, si opone davvero direttamente alla gravità, perché fuori dall'atmosfera non c'è aria da deviare: deve generare una spinta superiore al proprio peso, pagata con un consumo di carburante incomparabilmente maggiore. Questo confronto riassume il vantaggio dell'aereo: usare un fluido esterno permette di trasportare tonnellate con una frazione dell'energia che richiederebbe una spinta puramente verticale.