L’importanza della Portanza!

Il vero motore dell’aereo? LA FORZA CENTRIFUGA!! 

Fin da piccoli sappiamo che, mettendo la mano fuori dal finestrino, la velocità del vento sposta la mano all’indietro. 
Più tardi, da aspiranti piloti, ci viene insegnato che l’aereo si solleva per effetto della depressione che si genera sul dorso dell’ala. 
La spiegazione semplificata è che l’ala viene risucchiata verso l’alto per via delle particelle d’aria che gli scorrono attorno, la curvatura della parte superiore forma un Tubo di Venturi con le particelle indisturbate dell’aria sovrastante e, applicando in quell’area il Teorema di Bernoulli sui fluidi, si osserva una depressione che ancora oggi viene impropriamente chiamata Portanza. 
In soldoni: 
“Le particelle d’aria arrivano sul bordo d’attacco dell’ala e si separano. Quelle che passano sopra, dovendo ricongiungersi con quelle che passano sotto, accelerano per via della curvatura e questo crea una depressione”.

Molti libri di testo tuttora spiegano la Portanza in questo modo, ma le prove in galleria del vento e calcoli alla mano, dimostrano che la depressione creata applicando il Teorema di Bernoulli (o Equazione) non basta per sollevare un aereo. 

 

Ma allora perché l’aereo riesce a volare? Sarebbe come il paradosso del calabrone: calcolando la massa e la superficie delle sue ali, in teoria non potrebbe volare… ma lui non lo sa e vola lo stesso. 

Per spiegare quale forza genera un’ala, tanto da sollevare un moderno aereo di diverse centinaia di tonnellate, partiamo dal suono: una vibrazione si propaga nell’aria a circa 340 mt/sec, in funzione della temperatura. 
Tornando all’aeroplano, l’ala che avanza sposta le particelle d’aria, le quali avvisano quelle intorno che c’è un ostacolo e l’informazione viene “trasmessa” alla velocità del suono. Le particelle che seguono, ricevuta l’informazione, si predispongono per superarlo prima ancora che l’ala arrivi su di loro e, non essendo ancorate una con l’altra (come farebbe intendere M’sieur Bernoulli) le particelle d’aria che passano sopra accelerano e, pur facendo un tragitto più lungo per via della curvatura, arrivano alla fine dell’ala prima delle altre che passano sotto. 

Seguendo il bordo superiore dell’ala, la particella percorre una traiettoria curva e tanto più stretta è la curvatura, maggiore è la forza centrifuga alla quale è sottoposta. 
Poiché la curvatura dell’ala è più accentuata nella parte superiore (estradosso) rispetto alla parte inferiore (intradosso), sopra si genera più forza centrifuga che sotto. 
La forza centrifuga, perpendicolare alla traiettoria delle singole particelle, genera quella depressione che da origine alla Portanza. 

 

Il bordo d’attacco dell’ala, praticamente perpendicolare alla velocità di avanzamento, è dove le particelle vanno a sbattere senza poter riuscire a seguire il profilo. Questo punto si chiama “Punto di Ristagno”, l’impatto azzera istantaneamente la velocità delle molecole d’aria e ciò contribuisce alla maggior parte della Resistenza Totale di un aereo (osservando l’ala di un F-104, si noterà che il profilo è simmetrico e i bordi d’attacco delle ali sono affilati come lame per ridurre la resistenza dei punti di ristagno). 

 

Come fa quindi un F-104 a volare se il profilo dell’ala è simmetrico? 

La curvatura dell’ala, in questo caso, viene ottenuta estendendo gli slats sul bordo d’attacco e i flaps sul bordo d’uscita per le fasi di decollo, atterraggio e fino ad una certa velocità, successivamente vengono retratti e l’angolo d’attacco crea una sorta di curvatura aerodinamica. 

 Avendo un motore abbastanza potente da accelerare l’aereo fino alla velocità del suono, si può via via ridurre l’angolo d’attacco perché le particelle, non facendo più in tempo ad avvisare quelle che seguono, anziché predisporsi per aggirare l’ostacolo, ci andranno a sbattere come in un muro (il famoso muro del suono). 
La Portanza, in questo caso, è data dalla pressione d’impatto di ciascuna particella nell’intradosso dell’ala ed è sufficiente un piccolo angolo d’attacco affinché l’aria, colpendo il ventre dell’ala come tanti proiettili, generi una spinta verso l’alto sufficiente a sostenere l’aereo. 
Perché questo succeda occorre però andare veloci..molto veloci! 

La dimostrazione è un pò più complicata, con tante formule e leggi che spiegano perché succede, ma l’effetto finale è questo. 

Resta il fatto che, in ogni caso, le pressioni debbano riequilibrarsi dopo il passaggio dell’aereo, come nei vasi comunicanti. Se questo avviene in modo graduale, si generano piccoli vortici di scia, quindi poca resistenza e poiché ci sono tante curvature diverse, una forma si dice aerodinamica quando consente di diminuire gradualmente la differenza di pressione fra sopra e sotto in modo che si bilanci quasi al termine del profilo, dove le particelle si staccano definitivamente dall’ala. 

Se ci fosse un distacco prematuro dei filetti fluidi lungo il profilo alare, per esempio aumentando troppo l’angolo d’attacco oppure sollevando i diruttori o spoilers sopra l’ala, quello che succede si chiama Stallo. 

Lo stallo avviene quando la curvatura del profilo diventa eccessiva e le particelle, non riuscendo più a seguirlo, si staccano dall’ala creando, contemporaneamente, una depressione turbolenta che frena l’aereo e una sostanziale perdita di Portanza. 

Ed è proprio ciò che avviene alla mano fuori dal finestrino. 
Contrariamente a quello che si pensa, non viene spinta all’indietro dalla forza del vento, ma risucchiata all’indietro dalla depressione che si crea con lo “stallo” e con una forza molto più grande dell’aria che ci sbatte davanti. 
Se le particelle d’aria, anziché staccarsi dalla mano creando la turbolenza di scia, fossero in grado di seguirne il contorno fin dietro, le forze si equilibrerebbero e potremmo muovere la mano senza sforzo. 

Questa è la magia della Portanza 

(Questo articolo, redatto da Roberto Marinelli, è tratto dagli appunti presi durante una lezione tenutasi ad Ancona presso l’Università Politecnica delle Marche).