Profilo aerodinamico e attrito atmosferico

    [Contrariamente a quanto si potrebbe credere, la forma della parte anteriore è meno critica. Forse intuitivamente ci viene da pensare alla prua di una nave, che deve avere un profilo anteriore aguzzo per tagliare le onde superficiali. I sommergibili nucleari di profondità hanno una parte frontale semplicemente sferica, così come i dirigibili].

    La proporzionalità dell'attrito atmosferico su un'ala con v² è stata ricavata da osservazioni sperimentali, ma si può anche dedurre dal seguente ragionamento approssimativo. Seguitelo lentamente!

    L'ala di un aeroplano investita da un flusso d'aria perde energia soprattutto per scansare lateralmente l'aria che si trova sul suo percorso. Se la configurazione delle linee di flusso attorno all'ala è la stessa, sia a bassa che ad alta velocità (il che è ragionevolmente vero), quando v raddoppia, la velocità dell'aria spostata lateralmente raddoppia anch'essa, e da questo processo l'energia (cinetica) ceduta all'aria, che è proporzionale a mv², dovrebbe aumentare di 4 volte.

   Che cosa succede alla massa? Raddoppiando la velocità, l'ala avanza di una distanza doppia ogni secondo, rispetto a quello che avveniva prima, per cui la massa m di aria scansata dal suo percorso raddoppia anch'essa. La rapidità complessiva con cui l'energia è ceduta dall'ala all'aria circostante, quindi, aumenta di 8 volte.

    Questa rapidità con cui l'energia viene ceduta deve corrispondere al lavoro meccanico compiuto ogni secondo dalla forza D (cioè la potenza richiesta): anche questa potenza deve quindi aumentare di 8 volte. Poiché la distanza percorsa ogni secondo è v, il lavoro compiuto ogni secondo è Dv. Se v raddoppia e Dv aumenta di 8 volte, allora D deve crescere di 4 volte -- un aumento proporzionale a v².

Portanza

I progettisti, dai fratelli Wright in poi, hanno usato la galleria del vento per collaudare le ali con differenti profili, e hanno così individuato delle sezioni trasversali adatte a vari tipi di volo. Essi hanno anche verificato sperimentalmente che la portanza generata da un'ala è approssimativamente proporzionale alla densità d dell'aria e al quadrato della velocità v del flusso d'aria sopra l'ala stessa:

    Si può aumentare la portanza aumentando l'angolo di attacco (come si fa con un aquilone), ma a prezzo di una maggiore resistenza atmosferica. Inoltre, se l'angolo è troppo ripido, il flusso regolare al di sopra dell'ala diventa perturbato e l'ala va "in stallo", perdendo immediatamente quasi tutta la sua portanza. Si è scoperto che molti incidenti aerei sono stati causati da un improvviso stallo.

Quanto in alto? Quanto veloce?

    Quanto in alto e quanto veloce deve volare l'aereo di linea? I passeggeri vogliono raggiungere la loro destinazione rapidamente, per cui i progettisti devono proporsi un'alta "velocità di crociera". Tuttavia, i passeggeri gradiscono anche un atterraggio senza rischi, e quindi la velocità all'atterraggio deve essere bassa.

    La velocità è anche il motivo principale per cui gli aerei di linea volano ad una quota vicina ai 10 mila metri. La densità dell'aria si dimezza per ogni aumento di 5 km di quota, per cui a 10 km, d è circa 1/4 del valore al livello del mare e un aeroplano può raddoppiare la sua velocità per ottenere la stessa portanza, con la stessa resistenza atmosferica D (che, come si è visto, aumenta anch'essa come dv²). La ragione principale per cui gli aerei di linea hanno la cabina pressurizzata è che in tal modo possono volare più in alto, per poter volare più veloci.

    Quanto veloce? Il limite pratico sembra essere attorno a 960 km/ora (600 miglia all'ora). Avvicinandosi di più alla velocità del suono (1200 km/ora, ma variabile con la temperatura), il flusso dell'aria sopra le ali genera delle onde d'urto che aumentano l'attrito atmosferico e diminuiscono la portanza. Per ottenere velocità così alte è necessario l'impiego di ali a freccia.

Atterrare senza rischi

    Tutti questi accorgimenti consentono a un aereo di linea di atterrare a circa 150 miglia all'ora. L'atterraggio è in effetti una manovra di precisione, in cui l'aereo (idealmente) non ha più velocità rispetto all'aria immediatamente prima che le ruote tocchino terra. Il radar controlla l'angolo di discesa ed altri strumenti di navigazione rendono questa manovra possibile migliaia di volte ogni giorno.

Volare senza scalo attorno al mondo -- Quanto in alto? Quanto veloce?

    Inizialmente si sperava di avere una cabina pressurizzata per poter volare a 7500 metri di quota, ma le limitazioni di peso preclusero questo progetto, per cui fu intrapreso un volo più lento e a quota più bassa, che durò 9 giorni. Il peso al decollo del "Voyager" era di 4400 kg, e per far sollevare un aeroplano così pesante, furono usati due motori -- uno che tirava e uno che spingeva -- per raggiungere la velocità anemometrica richiesta di 222 km/ora.

    A metà del viaggio, quando il carburante era stato parzialmente consumato, occorreva una portanza minore. Pertanto venne spento uno dei due motori, e la velocità anemometrica fu ridotta a soli 127 km/ora, e, per evitare di doverla ridurre ulteriormente, la quota di volo fu innalzata a 3400-3600 metri. Di conseguenza la seconda metà del volo fu molto più lenta della prima metà, e molto più pesante per i piloti privati del sonno. D'altronde non c'era altra scelta, poiché volare più veloci avrebbe richiesto un angolo di inclinazione delle ali meno efficiente, e il consumo di carburante sarebbe aumentato troppo.