Il volo in aereo è una delle conquiste tecnologiche più significative del 20° secolo. L’ invenzione dell’aereo consente alle persone di viaggiare da un lato all’altro del pianeta in meno di un giorno, rispetto alle settimane di viaggio in nave e in treno.
Capire esattamente perché gli aerei volano è una sfida continua per gli ingegneri aerospaziali che studiano e progettano aerei, razzi, satelliti, elicotteri e capsule spaziali.
Il loro compito è garantire che il volo in aria o nello spazio sia sicuro e affidabile, utilizzando strumenti e idee provenienti dalla scienza e dalla matematica, come simulazioni ed esperimenti al computer.
Grazie a questo lavoro, volare in aereo è il modo più sicuro per viaggiare, più sicuro delle automobili, degli autobus, dei treni o delle barche. Ma sebbene gli ingegneri aerospaziali progettano velivoli straordinariamente sofisticati, potresti rimanere sorpreso di apprendere che ci sono ancora alcuni dettagli sulla fisica del volo che non comprendiamo appieno.
La forza
Ci sono quattro forze che gli ingegneri aerospaziali considerano quando progettano gli aerei: peso, spinta, resistenza e portanza. Gli ingegneri utilizzano queste forze per progettare la forma dell’aereo, le dimensioni delle ali e per capire quanti passeggeri può trasportare l’aereo.
Ad esempio, quando un aereo decolla, la spinta deve essere maggiore della resistenza e la portanza deve essere maggiore del peso. Se guardi un aereo decollare, vedrai le ali cambiare forma grazie a dei lembi posizionati sul retro delle ali, chiamati flap. I flap aiutano a creare più portanza, ma producono anche più resistenza, quindi è necessario un motore potente per creare più spinta.
Quando l’aereo è abbastanza in alto e sta volando verso la sua destinazione, la portanza deve bilanciare il peso e la spinta deve bilanciare la resistenza. Quindi il pilota tira verso l’interno i flap e di conseguenza può impostare il motore per produrre meno potenza.
Detto questo, definiamo cosa significa forza. Secondo la Seconda Legge di Newton, una forza è una massa moltiplicata per un’accelerazione, ovvero F = ma.
Una forza che tutti incontriamo ogni giorno è la forza di gravità, che ci tiene saldamente a terra. Quando ci pesiamo su una bilancia, stiamo effettivamente misurando la forza con cui il nostro corpo preme sulla superficie della bilancia.
Durante il volo di un aereo, la gravità esercita una forza verso il basso, determinando il peso dell’aereo.
Tuttavia, i motori dell’aereo generano una spinta, spingendolo in avanti. Questi motori aspirano aria, dotata di massa, e la espellono rapidamente dalla parte posteriore, producendo una combinazione di massa e accelerazione.
Secondo la Terza Legge di Newton, ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e opposta. Di conseguenza, l’aria espulsa dai motori genera una forza di reazione che spinge l’aereo in avanti, nota come spinta.
Mentre l’aereo si muove attraverso l’aria, la sua forma agisce sul fluido circostante, spingendo l’aria fuori dalla traiettoria. Nuovamente, secondo la Terza Legge di Newton, questa aria respinge indietro, generando una forza che si oppone al moto, comunemente chiamata resistenza aerodinamica.
Un fenomeno simile si sperimenta durante il nuoto, dove il movimento attraverso l’acqua è accompagnato da una spinta generata dalle braccia e dalle gambe. Interrompendo il movimento, si continua ad avanzare grazie alla propria massa, ma con una decelerazione dovuta alla resistenza dell’acqua, che esercita una forza opposta al movimento.
La portanza
La portanza, a differenza delle altre forze come il peso, la spinta e la resistenza, è un fenomeno più complesso. Essa è generata dalle ali degli aerei, e la forma dell’ala, conosciuta come profilo alare, riveste un ruolo fondamentale. Fondamentalmente, ciò implica che sia la parte superiore che quella inferiore dell’ala presentano curve, sebbene le loro forme possano essere diverse.
Durante il flusso dell’aria attorno al profilo alare, si genera una distribuzione di pressione – una forza che agisce su un’ampia area. Si verifica una pressione più bassa sulla parte superiore del profilo alare rispetto a quella inferiore. In altre parole, l’aria viaggia più velocemente sulla parte superiore dell’ala rispetto alla parte inferiore.
La comprensione delle differenze di pressione e velocità tra la parte superiore e quella inferiore è essenziale per comprendere il fenomeno della portanza. Approfondendo questa comprensione, gli ingegneri sono in grado di progettare aeromobili con un maggiore livello di efficienza in termini di consumo di carburante, offrendo ai passeggeri esperienze di volo più confortevoli.
Il dilemma
Il motivo per il quale l’aria si sposta a velocità differenti attorno a un profilo alare rimane ancora avvolto nel mistero, e gli scienziati continuano a investigare su questo fenomeno.
Gli ingegneri aerospaziali misurano queste variazioni di pressione sull’ala sia nei test condotti in gallerie del vento che durante i voli degli aeroplani. Utilizzando modelli di ali diversi, possono anticipare le prestazioni di volo. La portanza può essere manipolata variando la forma dell’ala, consentendo così la progettazione di aeromobili adatti a voli a lunga distanza o ad alte velocità.
Nonostante non si comprenda appieno la causa della portanza, gli ingegneri aerospaziali si avvalgono di equazioni matematiche che descrivono le differenze di velocità sulla superficie superiore e inferiore del profilo alare. Queste equazioni descrivono il fenomeno noto come circolazione.
La circolazione offre agli ingegneri aerospaziali un metodo per modellare il comportamento dell’aria attorno all’ala, anche se il processo sottostante non è del tutto compreso. In altre parole, grazie all’utilizzo della matematica e della scienza, è possibile sviluppare aeroplani sicuri ed efficienti, pur non avendo una comprensione completa del processo.
Se gli ingegneri aerospaziali riuscissero a chiarire il motivo per cui l’aria fluisce a velocità differenti a seconda del lato dell’ala, sarebbe possibile progettare aeroplani con minor consumo di carburante e minor impatto ambientale.
