Quattro forze in equilibrio

Ogni aeromobile, da un aereo di carta a un aereo di linea, è spinto e tirato dalle stesse quattro forze. Una forza si misura in newton (N) e ogni forza è rappresentata da una freccia.

• Il peso (W) tira l’aeromobile verso il basso, in direzione del centro della Terra. È la massa moltiplicata per la gravità: W = m × g, con g = 9,81 m/s². Un aereo leggero di 1.000 kg pesa 9.810 N.
• La portanza (L) è la forza esercitata dall’aria sull’ala ad angolo retto rispetto al flusso d’aria. In volo livellato, questo significa verso l’alto.
• La spinta (T) è la spinta in avanti prodotta da un’elica o da un motore a reazione.
• La resistenza (D) è l’aria che si oppone al movimento. È diretta all’indietro, lungo il flusso d’aria.

La portanza e la resistenza sono entrambe causate dall’aria che spinge sull’aeromobile. Il peso è la Terra che tira. La spinta viene dal motore. Nota che il motore non tiene sollevato l’aereo. Questo è il compito dell’ala.

L’equilibrio significa volo stazionario. La prima legge di Newton dice che un oggetto continua a muoversi a velocità costante quando la somma delle forze che agiscono su di esso è zero. Quindi un aeromobile che vola in piano a velocità stazionaria ha:

• L = W (la forza verso l’alto è uguale a quella verso il basso), e
• T = D (la forza in avanti è uguale a quella all’indietro).

Non rimane nulla, quindi nulla cambia. Se le forze non sono uguali, entra in gioco la seconda legge di Newton: forza risultante = massa × accelerazione. Supponiamo che l’aereo giocattolo di 1.000 kg abbia una spinta maggiore della resistenza di 200 N. La forza risultante in avanti è di 200 N, quindi a = 200 / 1.000 = 0,2 m/s². L’aereo accelera, lentamente all’inizio, finché l’aumento della resistenza non raggiunge la spinta e le forze tornano in equilibrio a una velocità maggiore.

La stessa logica vale per il movimento verso l’alto e verso il basso. Se la portanza è maggiore del peso, l’aeromobile viene spinto verso l’alto e la sua traiettoria si incurva verso l’alto. Se la portanza è minore, si incurva verso il basso.

Quanto sono grandi i numeri? Il rapporto tra portanza e resistenza aerodinamica, L/D, indica quanto poco costa a un'ala sostenere il proprio peso. In volo stazionario e livellato L = W e T = D, quindi T = W / (L/D). Il piccolo aereo leggero di questo corso ha un valore massimo di L/D di circa 12,5 (vedrai perché nella lezione 3). Quindi:

T = D = 9.810 N / 12,5 ≈ 785 N, appena circa l'8 percento del peso. Un aereo è un modo molto efficiente per spostare un peso, perché è l'ala a sostenerlo. Un elicottero in volo stazionario non ha questo aiuto: il suo rotore deve produrre una spinta uguale all'intero peso (Mondo 5).

Salita e discesa. In una salita stazionaria, la traiettoria di volo è inclinata di un angolo γ. Ora il motore deve anche tirare l'aereo in salita contro una parte del suo peso: T = D + W sin γ. Per una salita di 5°, W sin 5° ≈ 9.810 × 0,087 ≈ 855 N di spinta aggiuntiva. In una planata con il motore spento, la stessa parte del peso tira invece l'aereo in avanti. Userai questo concetto nel Mondo 6.

Questo corso è a scopo didattico. Spiega la fisica del volo per aiutarti a capire come funzionano gli aeromobili. Non è un corso di addestramento al volo e non contiene istruzioni operative per alcun aeromobile. I veri piloti imparano da istruttori certificati e dal manuale dell'aeromobile che pilotano. I numeri si riferiscono a un aeromobile giocattolo semplificato, quindi non corrisponderanno esattamente a quelli di un modello reale.