Temo che questo articolo scatenerà Albertone che, probabilmente, riuscirà facilmente a migliorarlo. Resta il fatto che il volo di un aereo rimane un problema estremamente complesso e, spesso e volentieri, solo la galleria del vento permette le scelte migliori. In altre parole, c'è tanta teoria ma è indispensabile anche una parte quasi empirica, basata su prove concrete.

Come per il caso del campo elettromagnetico e del moto "a lumaca" degli elettroni, così la spiegazione più utilizzata per rendere semplice le vere cause del volo è completamente ... sbagliata.

Analizziamo la faccenda da vicino partendo dalle basi elementari. Per poter volare, malgrado il suo peso, è necessario, innanzitutto, che l'aereo sia in grado di contrastare l'aria che frena il suo  movimento rettilineo.  L'aereo dovrebbe mantenere una quantità di moto costante. Se usasse solo una spinta iniziale, però, la sua quantità di moto sarebbe costretta a variare a causa dell'aria che gli sbatte sul "muso". Variazione di quantità di moto vuol dire creazione di una forza che, in questo caso, tende a ridurgli la velocità e, quindi, a fermarlo. Ovviamente, se si fermasse non potrebbe che cadere a causa della gravità. Fortunatamente, questo primo ed enorme ostacolo è facilmente superabile, utilizzando un motore che attraverso le eliche e/o il getto  posteriore manterrebbe una quantità di moto costante o addirittura superiore, facendolo accelerare.

Il vero problema, quindi, è quello di far sollevare l'aereo da terra e poterlo manovrare aumentando o diminuendo la sua quota di volo. L'aereo deve essere spinto verso l'alto e deve decidere lui quando abbassarsi verso terra".

Per far ciò (gli uccelli insegnano) bisogna munirsi di ali. Se le potessimo costruire in modo che esse si muovano dall'alto verso il basso quando è necessario, il problema sarebbe facilmente risolto. Infatti, il movimento dall'alto verso il basso causerebbe uno discesa repentina dell'aria sottostante e per il terzo principio della dinamica, l'aria spingerebbe le ali verso l'alto.  Sono stati fatti infiniti tentativi in tal senso (Leonardo per primo), ma senza risultati minimamente sufficienti. Beati gli uccelli!

Purtroppo, le ali sono costrette a restare rigide (tranne leggeri aggiustamenti) e il sollevamento deve essere ottenuto in altro modo.

Un errore madornale

Vediamo subito come ottenere questo risultato attraverso il principio di Bernoulli. Il principio è giustissimo, ma il modo in cui  viene utilizzato per ottenere la spiegazione  è completamente sbagliato, malgrado sia quello più utilizzato nelle scuole e in tanti video "divulgativi" (chiamiamoli così...).

La spiegazione si basa su una forma particolare dell'ala. Consideriamo una sua sezione perpendicolare al lato lungo e vediamola in Fig. 1.

Il flusso d'aria investe l'ala da sinistra, ma, arrivato in O, è costretto a dividersi in due parti., quella superiore e quella inferiore. Ne segue che i due flussi devono percorrere due tragitti diversi prima di incontrarsi nuovamente in V. Quello superiore è decisamente  più lungo data, la forma tondeggiante, per cui, dovendo arrivare in V nello stesso momento del flusso inferiore è costretto ad andare più veloce. Ed ecco che entra in ballo Bernoulli. il quale dice che se aumenta la velocità diminuisce la pressione e viceversa. Il gioco è fatto! La pressione nella parte superiore dell'ala risulta minore (maggiore velocità del flusso) e, di conseguenza, l'aereo è spinto verso l'alto. Come volevasi dimostrare. Punto e a capo. Magnifica spiegazione, non c'è che dire, ma... completamente sbagliata! Non esiste in fisica nessuna legge che impone che i due flussi debbano incontrarsi in V e che, quindi, la velocità del flusso nella parte superiore sia maggiore per tale ragione. Il principio di Bernoulli non può essere applicato.

Tutto da rifare, pur accettando completamente la validità del principio di Bernoulli. il quale verrà comunque utilizzato in modo diverso.

L'angolo di attacco e il terzo principio della dinamica di Newton

Ricominciamo da zero e ricordiamo che i primi aerei, pur sollevandosi, avevano le ali piatte. I percorsi superiore e inferiore del flusso erano uguali, eppure l'aereo si sollevava. Una risposta fondamentale ce la dà il vecchio e geniale Newton (chissà cosa sarebbe successo se avesse avuto voglia di volare...). Prendiamo pure la nostra ala piatta di Fig. 2 e vediamo cosa succede.

Ovviamente, se mettiamo l'ala in direzione orizzontale (in alto), tanta aria fluisce sopra quanta ne fluisce sotto. Facciamo, allora, un piccolo giochino... Incliniamo leggermente l'ala verso l'alto (parte bassa della figura). Mettiamoci nel sistema di una molecola di di aria.  Essa si vede arrivare contro l'ala dell'aereo. Nell'urto subisce una forza, che ha una componente blu che la spinge verso il basso (la sua quantità di moto è cambiata). La molecola reagisce come può, ma è fondamentale il fatto che la componente di reazione è la forza rossa diretta verso l'alto. Come conseguenza dell'urto l'ala viene spostata verso l'alto. Questa forza viene chiamata PORTANZA.  Lo stesso processo avviene per tutte le molecole che urtano la parte inferiore dell'ala e, quindi, tutta l'ala si solleva e l'aereo con lei. Nell'urto l'ala subisce anche una frenata, ma il motore riesce a superarla agevolmente. Il movimento dell'ala, quindi, è diretto verso destra e verso l'alto, come indica la freccia.

Ovviamente l'angolo a, detto  di attacco non può essere troppo grande, dato che in tal caso la componente verticale (portanza) si ridurrebbe di molto, mentre l'aereo perderebbe di velocità fino ad arrivare a uno "stallo". In realtà lo stallo è  causato principalmente dalla turbolenza che nasce nella parte superiore dell'ala quando il flusso non riesce più a seguirne il contorno. Ne segue che l'angolo di attacco non deve superare i 20° circa.

Potremmo anche terminare qui l'intera spiegazione, ma, ovviamente, saremmo troppo precipitosi e incompleti, dato che altri effetti sono necessari, in generale legati assieme tanto che non è facile distinguere la causa e l'effetto.

Come si acquista  portanza e velocità

Teniamoci ben stretto l'angolo di attacco e riprendiamo la forma asimmetrica dell'ala già vista in Fig. 1. Incliniamo il tutto in Fig. 3.

La spinta verso l'alto di Newton continua a valere, ma la parte superiore dell'ala entra nuovamente in gioco. La parte iniziale subisce una forte compressione, ma, successivamente, l'inclinazione del bordo dell'ala crea una specie di "vuoto" tra il flusso e l'ala. In altre parole, una rarefazione del flusso. Potremmo chiamarla "zona d'ombra" per usare un'analogia con la luce....

Ciò causa, di conseguenza, una differenza di pressione tra parte inferiore e superiore, nuovamente favorevole all'innalzamento dell'ala. Proprio a causa di questa differenza di pressione, possiamo applicare il principio di Bernoulli e concludere che il flusso della parte alta deve andare più veloce di quello della parte bassa dell'ala. E' un gatto che si morde la coda e maggiore velocità vuol dire minore pressione... ecc., ecc.  In ogni modo, la velocità del flusso superiore non dipende assolutamente dalla lunghezza del percorso e tantomeno dalla necessità che i due flussi si incontrino nella parte terminale dell'ala.

Dobbiamo ammettere di aver trascurato, nell'ultima figura, un effetto decisamente importante che si verifica sul bordo superiore dell'ala. Lo andiamo ad affrontare subito, facendo un esperimento ben noto ...

Da un cucchiaio a un'ala: l'effetto Coanda

Apriamo il rubinetto dell'acqua  e facciamone scorrere una certa quantità (non troppa) verso il basso. L'acqua cade senza problemi, ricordando la gravità. Prendiamo, adesso, un cucchiaio e mettiamolo sotto il filo di acqua. in modo che esso lo colpisca nella parte curva (Fig. 4).

Cosa succede? Basta provare e vedremmo che l'acqua tende a scorrere lungo la parte curva del cucchiaio e continua la caduta in una direzione diversa da quella puramente verticale. Questo è l'effetto Coanda, ossia un fluido tende ad attaccarsi a una superficie curva seguendone l'andamento.

Ricordiamo che Henri Coanda (1886-1972) è stato un geniale pioniere rumeno dell'aviazione, fisico e inventore che studiò per primo questo fondamentale effetto di fluidodinamica.

Per avvicinarci al caso dell'aereo, facciamo ancora un piccolo esperimento casalingo. Prendiamo un bicchiere di plastica e poggiamolo su un tavolo, avendo cura che non possa muoversi nella direzione del soffio che dobbiamo impartire verso di lui, come mostra la Fig. 5.

A sinistra una visione in 3D e a destra quella dall'alto. Il soffio deve essere diretto verso il bordo del bicchiere. Come è successo per il cucchiaio, il flusso d'aria (che fa le veci dell'acqua), seguirà il bordo del bicchiere e quest'ultimo si muoverà nella direzione della freccia rossa. Qualcosa di inaspettato (forse), ma estremamente importante per il volo.

Posizionando adeguatamente la figura precedente vediamo come si applica questo effetto all'ala dell'aereo.

Notiamo come il flusso d'aria della parte superiore segua perfettamente l'ala che lo attira verso il basso. Nel frattempo si creano le condizioni ideali per creare una rarefazione di flusso sopra a questo strato di fluido, in modo da ottenere la differenza di pressione necessaria al principio di Bernoulli discusso precedentemente. Le molecole del flusso vengono attirate verso la superficie dell'ala per cui sono costrette ad andare verso il basso. L'ala causa un moto verso il basso delle molecole, ossia le impartisce una forza;  il che, sempre per obbedire al terzo principio di Newton, obbliga l'ala a subire una forza uguale e contraria. (Fig. 6)

Essa tende, quindi, ad andare verso l'alto, sollevandosi. Esattamente ciò che capita al nostro bicchiere...

Per farla ancora più semplice vediamo come una cosa analoga capiti con un foglio di carta. Mettiamolo davanti alla nostra bocca nella posizione di Fig. 7.

Ovviamente, il foglio si incurva verso il basso. Non ci resta che soffiare nella parte superiore del foglio e vedere come lui si si sollevi mettendosi in  direzione orizzontale,. Perché? Perché parte del soffio è stato costretto a seguire la curvatura del foglio verso il basso e, di conseguenza, è stato sollevato verso l'alto.

Non chiedetemi di spiegare a livello molecolare e atomico l'effetto Coanda. Entrano in gioco le capacità di aggregazione delle molecole del fluido, seguendo la sua viscosità, così come la forza attrattiva, di tipo elettromagnetico, tra molecole del fluido e molecole della superficie alare. La spiegazione, soprattutto se inserita, in ambito quantistico, non è banale, ma il suo contributo è veramente essenziale per dare la giusta portanza a un aereo.

L'effetto Coanda non si limita solo alle alle degli aerei, ma serve anche  nella auto di Formula Uno per mantenerle stabilmente a terra, inserendo degli opportuni alettoni con curvatura contraria a quella delle ali degli aerei. Serve anche alle barche a vela per poter andare contro vento, proprio perché l'aria  che scorre sulla parte curva della vela causa una spinta della barca in direzione opposta.

Bisogna adeguarsi alle situazioni

Gli effetti appena descritti vengono utilizzati in modo leggermente diverso a seconda che l'aereo debba partire o atterrare. Non per niente, vi sono parti aggiuntive alle ali che vengono estratte in modo da aumenta la loro superficie e variare la loro.

Possiamo valutare quanto poco basti per modificare significativamente  la condizione di volo, costruendo un semplice aereo di carta. In Fig. 8 abbiamo il nostro modellino e lo lanciamo piegando adeguatamente la parte finale delle sue ali.

Senza manipolare le ali lo lanciamo in direzione orizzontale simulando la spinta del motore. L'aereo si muoverà orizzontalmente. Incliniamo adesso appena appena le parti terminali (a<) e (b) delle due ali verso l'alto. Cosa succede all'aereo? La curvatura finale innesca l'effetto Coanda: (a) e (b) subiscono una spinta verso il basso e l'aereo, perciò, punta il muso verso l'alto. Pieghiamo, adesso, le due parti terminali verso il basso. L'effetto Coanda agisce spingendo verso l'alto (a) e (b) costringendo il muso ad andare verso il basso. Calibrando opportunamente le parti (a) e (b) possiamo ottenere manovre molto raffinate.

La circolazione di Kutta

A questo punto è giusto ricordare, anche se in poche e semplici parole, la circolazione di Kutta e la sua somiglianza con l'effetto Magnus, di cui si è già parlato QUI. La circolazione di Kutta ci dice che per non avere situazioni assurde nella parte terminale delle ali, che devono essere appuntite per evitare vortici  pericolosi, il flusso di aria si può dividere in due moti: uno orizzontale rettilineo e uno circolare. Se ne può avere un'idea intuitiva guardando la Fig. 9, a sinistra.

L'aria sale incontrando l'ala e poi scende seguendo la curvatura della stessa. I due moti, rappresentati  a destra, creano una velocità maggiore nella parte alta in modo che l'ala subisca una spinta verso l'alto. In qualche modo può essere visto come effetto alternativo a quello di Coanda, oppure, come differente spiegazione di uno stesso effetto o, magari, come ulteriore aiuto reciproco per il sollevamento delle ali. L'ho sintetizzato e semplificato, ma la vera origine di questo effetto risiede soprattutto nella teoria dei vortici. Ricordiamo, inoltre, quello che capita a un pallone che viene lanciato in avanti, ma che subisce una rotazione laterale, descritto dall'effetto Magnus: decisamente simili.

Effetti diversi o solo diverse spiegazioni di uno stesso effetto? Non è facile rispondere... fatto sta, però, che gli areoplani volano. Tuttavia, questo strano miscuglio di cause ed effetti comporta che ancora oggi non ci si affidi soltanto alla teoria, ma si provino le soluzioni nelle gallerie a vento dove il fluido non è più teorico, ma reale con tutto ciò che deriva dai vortici e da regimi non costanti di flusso.

Forse, forse... è meglio prendere un'aereo e non pensare troppo alle cause del volo. Fidiamoci pure di Bernoulli, di Newton, di Coanda e di Kutta, ma -soprattutto- del pilota!