È nozione comune che un oggetto volante, sia esso un uccello o un aeroplano, va in stallo, ossia la condizione per cui la portanza delle ali, cioè la forza che sostiene l’aeromobile, diviene insufficiente a mantenerlo in volo.
Poiché la portanza è proporzionale alla velocità dell’aeromobile, ciò avviene in primo luogo se la velocità di avanzamento scende sotto un certo valore. Il secondo fattore importante nel dare la portanza è la densità dell’aria. A parità di velocità, infatti, la portanza è tanto maggiore quanto più l’aria è densa, quindi è minore ad alta quota, dove l’aria è più rarefatta, che a bassa quota. Ciò è dovuto al fatto che la colonna gassosa soprastante, diventando via via meno spessa, esercita sulle molecole sottostanti una pressione sempre più piccola, e questo si traduce in una riduzione della pressione agente sull’ala.
Questo spiega perché un aereo non può salire oltre una data altitudine, pena lo stallo. Nel vuoto, un’ala non è soggetta ad alcuna forza portante, mentre in un’ipotetica atmosfera a densità doppia della nostra, la sua portanza risulterebbe raddoppiata.
Qual è la massima quota a cui si può volare?
L’aria incontrata dall’aeromobile è anche responsabile della resistenza al moto, quella forza che si contrappone ad esso sotto forma di attrito. Si può dire che l’aria, come ogni altro fluido, non ama lasciare un varco al passaggio dell’aeromobile. Se tale resistenza non ci fosse, non sarebbe necessario fornire l’oggetto in volo di motori, giacché esso procederebbe per inerzia.
La densità dell’aria, nei motori a getto, interviene anche nella combustione del carburante, in quanto essa determina la densità dell’ossigeno. Questo è un altro fattore che impedisce a un aereo di salire troppo in alto: se la combustione diviene difficoltosa, la spinta scende, fino a cessare. Dunque, un aereo in ascesa prima o poi raggiunge una quota alla quale l’ala non è più in grado di generare una portanza sufficiente, cosa che induce lo stallo, o alternativamente raggiunge una quota a cui i suoi motori, non essendo più sede di una soddisfacente combustione, si spengono.
Quale dei due eventi ha luogo per primo dipende dalla sagomatura dell’ala e dalla potenza del motore. Si parla di “tangenza operativa” dell’aeromobile per definire la massima quota a cui un aereo di quel tipo e con quell’ala può volare nell’atmosfera terrestre.
Nella figura è mostrato l’aereo-spia americano Lockheed U-2, detto “Dragon Lady”. Progettato alla metà del secolo scorso e oggi ancora in uso, è capace di volare all’altissima quota di oltre 20 000 metri. A tale scopo, esso è dotato di superfici alari molto grandi.
Viene impiegato ai limiti della sua tangenza operativa: poiché la sua velocità – sui 700 km/h – è prossima al limite per il sostentamento, il suo pilotaggio risulta alquanto critico e questo spiega i numerosi incidenti in cui è incorso.
Portanza dell’ala
Procediamo con la spiegazione dell’effetto di portanza. La sagomatura dell’ala è studiata in modo tale che la velocità di scorrimento dell’aria sia maggiore sulla superficie superiore che non su quella inferiore, come nella figura di seguito.
Secondo il principio di Bernoulli, a parità di energia gravitazionale si ha (p = pressione, r = densità del fluido, v = sua velocità):
p + (½)rv2 = costante
ossia la pressione esercitata da un fluido che scorre su una superficie, sommata all’energia cinetica di un volume unitario del fluido, è una costante. Ne consegue che, poiché la velocità compare al quadrato, un incremento della stessa comporta una forte diminuzione della pressione. Nel caso dell’ala, quindi, la pressione è maggiore sulla superficie inferiore, e ciò garantisce l’effetto di sostentamento, ossia portanza.
Cosa succede nel regno animale?
Nel regno animale, i volatili e gli insetti hanno ali inclinate in avanti in modo che la portanza abbia anche una componente orizzontale. Naturalmente negli uccelli più grandi insorge il problema di una portanza sufficiente per sostenerli in volo. Poiché il rapporto tra il peso e la superficie alare non può crescere a dismisura, le oche domestiche, i cigni e gli struzzi non si levano in volo. Il più pesante di tutti quelli che riescono a volare è un uccello raro, l’otarda maggiore (da Otis tarda, vale a dire “uccello che si muove con lentezza”), il cui maschio può raggiungere 1 metro di lunghezza, con un’apertura alare di oltre 2 metri e 14 chili di peso.
Le ali di Leonardo da Vinci
La fisica del volo non era ancora conosciuta ai tempi di Leonardo da Vinci, tanto che egli tentò ripetutamente di fornire delle ali a un suo sperimentatore. Naturalmente ogni sforzo fu vano, ma la storia non ci dice se il malcapitato uscì indenne dagli esperimenti. È tuttavia possibile osservare alcune ricostruzioni delle ali che Leonardo costruì esibite in una mostra interattiva presso il museo Leonardo3, a Milano.
Immagine di copertina: Leonardo3 Museum
