La spinta contrasta la resistenza aerodinamica

La resistenza è il prezzo da pagare per muoversi nell'aria. Gli ingegneri aeronautici la dividono in due tipi.

1. Resistenza parassita. Dipende dalla forma e dalla superficie: dalla resistenza di pressione della fusoliera, degli pneumatici e dei montanti che spostano l'aria, e dall'attrito della superficie causato dall'aria che sfrega lungo la superficie. Si comporta come la portanza: D_p = ½ρV²S × C_D0. Cresce con il quadrato della velocità.

2. Resistenza indotta. È il prezzo da pagare per generare portanza. Un'ala con apertura finita spinge l'aria verso il basso, e l'aria gira intorno alle estremità alari formando vortici turbolenti, i vortici d'estremità alare. Questa energia sprecata si manifesta come una forza all'indietro: D_i = ½ρV²S × C_L² / (π e AR). Qui AR è l'allungamento alare (apertura² divisa per l'area dell'ala; le ali lunghe e sottili hanno un AR elevato) ed e è un fattore di rendimento inferiore a 1.

Sommando i due contributi, il coefficiente di resistenza totale è C_D = C_D0 + C_L² / (π e AR).

I numeri dell'esempio. L'aereo giocattolo ha C_D0 = 0,03, e = 0,8 e AR = 7,5 (valori didattici). In volo orizzontale L = W, quindi C_L = 2W / (ρV²S) e diminuisce all'aumentare della velocità. Questo significa che la resistenza indotta diminuisce con la velocità (è proporzionale a 1/V²), mentre la resistenza parassita aumenta con la velocità (V²). L'aereo giocattolo dà:

• 25 m/s: resistenza parassita 184 N, indotta 834 N, totale circa 1.020 N. Il volo lento è dominato dalla resistenza indotta.
• 36,5 m/s: resistenza parassita 392 N, indotta 391 N, totale circa 783 N. Questa è la resistenza minima.
• 50 m/s: resistenza parassita 735 N, indotta 208 N, totale circa 943 N.
• 80 m/s: resistenza parassita 1.882 N, indotta 81 N, totale circa 1.963 N. Il volo veloce è dominato dalla resistenza parassita.

Se rappresenti graficamente la resistenza totale in funzione della velocità, ottieni una curva a U. Nel punto più basso della U, la resistenza indotta e quella parassita sono uguali. Questa è la velocità del miglior L/D: a 36,5 m/s l'aereo ha L/D = 9.810 / 783 ≈ 12,5. Per un aereo a reazione, questa velocità è vicina a quella che permette di ottenere la massima autonomia, anche se le velocità ottimali esatte dipendono anche dal motore. Un pilota di aliante vola vicino a questa velocità per coprire la maggior distanza possibile per ogni metro di altezza perso (Mondo 6).

A cosa serve il motore. In volo stazionario la spinta deve essere uguale alla resistenza aerodinamica, quindi la spinta è determinata dalla curva della resistenza aerodinamica. Al miglior rapporto L/D, l'aereo giocattolo ha bisogno di soli 785 N circa di spinta per sostenere un peso di 9.810 N. Volando più lentamente o più velocemente, la spinta necessaria aumenta di nuovo.

Come ridurre la resistenza aerodinamica. Le forme lisce e il carrello retrattile riducono la resistenza aerodinamica parassita. Un'ala più lunga e stretta (con un rapporto di allungamento maggiore) riduce la resistenza aerodinamica indotta, perché D_i è inversamente proporzionale ad AR. Ecco perché gli alianti hanno ali così lunghe e gli aerei di linea hanno le winglet (Mondo 7). I motori appartengono a due famiglie principali: le eliche (che accelerano una grande quantità di aria di poco) e i motori a getto (che accelerano una quantità minore molto di più). Il Mondo 4 spiega come un motore a getto produce spinta.