Gli aerei volano grazie a diversi effetti combinati.
Uno è il fenomeno per cui in un fluido che si muove senza variazioni importanti di altitudine la pressione è minore dove è maggiore la velocità del fluido e viceversa. Le ali degli aerei hanno un profilo maggiormente tondeggiante nella parte superiore e piuttosto che in quella inferiore. Questo costringe l’aria sche scorre al di sopra dell’ala a muoversi ad una velocità maggiore rispetto all’aria che scorre al di sotto.
Questo provoca una differenza di pressione che, per velocità dell’ala (cioè dell’aereo) abbastanza alte, provoca una spinta verso l’alto. Questo effetto si dimostra abbastanza facilmente usando l’equazione di Bernoulli che è ricavata in condizioni di fluido ideale, cioè privo di viscosità e incompressibile. L’aria non presenta perfettamente queste due caratteristiche ma non si discosta completamente dal comportamento ideale, per cui anche per l’aria esiste un effetto di questo tipo anche se con intensità inferiore che nel caso ideale.
A questa spinta si aggiunge quella dovuta al terzo principio della dinamica. L’ala è orientata in modo da urtare l’aria sottostante che viene spinta verso il basso e quindi questo provoca una spinta dell’ala verso l’alto. Inoltre il profilo superiore, per effetto dell’adesione dei fluidi alle superfici con cui vengono in contatto (effetto Coanda) orienta l’aria che passa al di sopra verso il basso. Questo, sempre per il terzo principio, crea una spinta verso l’alto dell’ala. Da notare che gli effetti del terzo principio della dinamica non sono già contenuti nell’equazione di Bernoulli che, essendo una rielaborazione del teorema di conservazione dell’energia meccanica, è parzialmente equivalente al secondo principio della dinamica, ma non ha alcun legame con il terzo.
Quando si piega un foglio ad aeroplano si forma profilo alare che solo rozzamente presenta le stesse caratteristiche di un ala “vera”. Le zone del foglio piegate più volte sono curvate verso l’alto, sia per motivi di tensione che di spessore e quindi in qualche modo producono l’effetto dovuto all’equazione di Bernoulli, con gli stessi distinguo menzionati prima. L’effetto dovuto al terzo principio invece è praticamente assente perchè generalmente gli aeroplanini di carta non sono piegati in modo da spingere l’aria verso il basso o da curvarne il flusso (ciò non toglie che si possa tentare di “progettare” un areoplanino di carta che presenti queste caratteristiche).
Nonostante queste differenze gli effetti presenti permettono all’aeroplanino di carta di svolazzare, mantenendosi in “galleggiamento” nell’aria. Tuttavia l’attrito fa in poco tempo ridurre la velocità ad un valore tale che la differenza di pressione non è sufficiente a sostenere l’aeroplanino che quindi perde quota e cade. Si può migliorare la durata del volo piegando leggermente verso l’alto delle porzioni del bordo posteriore dell’aereo, in modo che, urtando l’aria, provochi per reazione una tendenza all’impennamento dell’aeroplanino e quindi un “volo” più lungo. Tuttavia questo uso del terzo principio è ben diverso da quello sfruttato dalle ali dei aerei veri.
Puoi approfondire il funzionamento delle ali su questi due articoli:
David Anderson and Scott Eberhardt “A Physical Description of Lift”
G. Fera “Sulla Portanza delle Ali”
si ringrazia S. Ganci per delle fondamentali osservazioni sull’equazione di Bernoulli e per la bibliografia e P. Polato per la collaborazione.
Appendice
A seguito di alcuni commenti pervenuti sulla domanda pubblicata qui sopra aggiungo questa appendice per spiegare perchè il fatto che gli arei possano compiere volo rovesciato non contraddice la spiegazione sul funzionamento delle ali data nel corpo della risposta, sia per quanto riguarda il comtributo alla portanza dovuto all’equazione di Bernoulli che quello dovuto al terzo principio della dinamica.
Quando un areo esegue un volo “dritto” possiamo tracciare una linea retta dalla coda alla punta dell’aereo che è parallela alla direzione del moto (cioè del volo) dell’aereo.
in figura la parte in rosso è il profilo alare, in azzurro c’è la coda, la linea arancio è la congiungente coda-punta e la linea verde è la direzione del volo.
Quando un aereo esegue un volo rovesciato la sua posizione rispetto alla linea di avanzamento non è semplicemente quella di prima ribaltata di 180° ma l’aereo vola leggermente inclinato verso l’alto.
I colori della figura hanno lo stesso significato di quella precedente.
Come si vede quindi, anche se l’aereo vola capovolto il profilo alare non incontra l’aria in maniera simmetrica rispetto al volo dritto, perchè l’ala non è semplicemente in posizione speculare rispetto al voro dritto. L’inclinazione che l’areo deve avere per eseguire un volo rovesciato è tale che l’ala al rovescio incontri l’aria in modo da provocare degli effetti simili (sia in termini della portanza di Bernoulli che di quella dovuta al terzo principio) a quelli del volo diritto. Infine nel volo rovesciato parte della spinta che sostiene l’areo proviene anche dai reattori che nella posizione rovesciata spingono il getto di uscita parzialmente verso il basso.