Perché gli aerei riescono a volare?

Ogni volo si può spiegare con quattro forze. Il peso attira l'aereo verso il centro della Terra. La portanza, generata quasi esclusivamente dalle ali, agisce verso l'alto. La spinta del motore lo spinge in avanti. La resistenza si opone a questo movimento in avanti. Quando portanza e peso, così come spinta e resistenza, sono in equilibrio, l'aereo vola in linea retta e orizzontale a velocità costante; qualsiasi squilibrio lo fa salire, scendere, accelerare o decelerare. L'arte della costruzione e del volo consiste nel dominare con precisione queste forze.

L'ala è un profilo curvo che incontra l'aria con un leggero angolo, l'angolo di attacco. Muovendosi in avanti, costringe il flusso d'aria a curvarsi e a defluire verso il basso al bordo d'uscita. Per la terza legge di Newton: se l'ala spinge l'aria verso il basso, l'aria spinge l'ala verso l'alto. Questa deflessione si manifesta come una differenza di pressione: l'aria sopra la superficie superiore accelera e la sua pressione diminuisce, mentre sulla superficie inferiore la pressione è maggiore. La spiegazione popolare secondo cui l'aria sopra dovrebbe "arrivare contemporaneamente" a quella sotto è sbagliata, anche se la differenza di pressione che ne risulta è reale. La portanza aumenta con il quadrato della velocità, con la densità dell'aria, con la superficie alare e con l'angolo di attacco fino a un limite: se questo angolo è troppo grande, il flusso si separa, la portanza crolla improvvisamente e l'aereo va in stallo.

Senza velocità non c'è portanza, e la resistenza lavora costantemente per sottrarla. La spinta di eliche o turbine compensa questa resistenza. In un turbofan, un grande ventilatore accelera una massa d'aria enorme all'indietro; in un motore a pistoni, l'elica fa lo stesso con meno flusso d'aria. Un aliante non ha bisogno di motore e guadagna velocità con una discesa dolce, scambiando quota con velocità, proprio come un ciclista in discesa.

Se il muso viene alzato, l'angolo di attacco aumenta e con esso la portanza; se si aggiunge potenza, l'aereo accelera e sale. I piloti combinano assetto e potenza per cambiare quota senza perdere velocità. Un aereo di linea che decolla con i flap estesi a circa 280 km/h ha bisogno di questa configurazione perché un'ala "pulita" a bassa velocità non sosterrebbe il peso; in crociera, a 850 km/h con l'ala retratta, la stessa superficie genera abbondante portanza con un angolo di attacco di appena pochi gradi.