Aeroplano

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Introduzione

Aeroplano Mezzo aeromobile più pesante dell’aria, propulso da un motore e sostenuto dall’azione dinamica esercitata dal flusso d’aria sulle superfici delle ali fisse (vedi Aerodinamica). Aeromobili più pesanti dell’aria sono anche l’aliante e le macchine ad ala rotante, come l’autogiro e l’elicottero, azionate meccanicamente e sostenute da rotori posti sulla parte superiore della fusoliera. Altro mezzo aereo è l’ornitottero, che viene sostenuto e propulso da ali battenti: sono stati sviluppati ornitotteri giocattolo, ma a tutt’oggi gli esperimenti su macchine a dimensioni reali non sono stati seguiti da realizzazioni pratiche. Per la storia del volo con mezzi più pesanti dell’aria, vedi Aviazione.

Il termine “aeroplano” generalmente designa macchine che operano da basi terrestri, ma viene utilizzato anche per diverse categorie di aeromobili, che comprendono gli aerei imbarcati su navi, gli idrovolanti e gli anfibi. La principale differenza tra questi mezzi è data dalla configurazione del dispositivo di atterraggio. L’aereo imbarcato è infatti progettato per decollare e appontare a bordo di portaerei ed è dotato di un gancio caudale che afferra un cavo, steso da un capo all’altro del ponte di volo, per favorire l’arresto dell’aereo dopo l’appontaggio. L’idrovolante invece è provvisto di galleggianti, anziché del consueto carrello d’atterraggio degli aerei terrestri; in particolare l’idrovolante a scafo centrale ha la fusoliera costruita come lo scafo di un’imbarcazione per consentire il galleggiamento. L’aereo anfibio è equipaggiato sia con carrello d’atterraggio sia con scafo o galleggianti, che consentono al velivolo di operare da terra o dall’acqua.

Fino alla seconda guerra mondiale gli idrovolanti venivano impiegati perlopiù come ricognitori militari o antisommergibili, mentre nell’aviazione civile erano adibiti prevalentemente al trasporto passeggeri su rotte marittime; potevano comunque volare solo a bassa velocità ed erano lenti nell’ammaraggio. Gli aerei anfibi, ancora più lenti per il doppio sistema di atterraggio, ebbero sempre diffusione limitata. Per gli aerei da diporto leggeri sono disponibili galleggianti simili a quelli utilizzati negli idrovolanti ma dotati di una ruota “annegata” posta al centro, che non sporge tanto da incrementare la resistenza idrodinamica quando è in acqua, ma fuoriesce abbastanza per consentire atterraggi su piste in cemento o erbose.

Altri mezzi più pesanti dell’aria sono gli aerei a decollo verticale (VTOL) e corto (STOL), e i convertiplani. Un aereo VTOL (acronimo dall’inglese Vertical Take-Off and Landing, decollo e atterraggio verticale) decolla verticalmente e vola orizzontalmente; per il sollevamento da terra si utilizzano diversi sistemi: in alcuni progetti viene sfruttata la spinta diretta verso il basso operata da motori a getto (vedi Propulsione a reazione), sebbene ciò richieda un’elevata potenza. Per l’aerosostentazione diretta vengono impiegate anche ali rotanti e ventole canalizzate, che però hanno il difetto di incrementare la resistenza aerodinamica durante il volo. I convertiplani, combinando i rotori degli elicotteri con le ali fisse degli aerei, sembrano dare risultati promettenti per le operazioni VTOL commerciali; per quanto essi siano in diretta competizione con gli elicotteri, sono tuttavia notevolmente più veloci.

Gli aerei STOL (dall’inglese Short Take-Off and Landing, decollo e atterraggio corto), possono decollare e atterrare in direzione obliqua con elevate inclinazioni, e quindi anche su piste di lunghezza limitata. A parità di carico utile, sono molto più efficienti, in termini di consumo di carburante e di potenza richiesta, rispetto agli aerei VTOL; inoltre sono in grado di raggiungere velocità superiori e hanno maggiore autonomia rispetto agli elicotteri.

Per quanto riguarda i mezzi più leggeri dell’aria, vedi Dirigibile; Pallone aerostatico.

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Principi fisici del volo

Un aereo può alzarsi in volo e navigare nel cielo poiché il flusso d’aria genera una circolazione attorno alle superfici con profilo aerodinamico, producendo una differenza di pressione tra le zone al di sopra e al di sotto delle superfici stesse, alla quale corrisponde una spinta verso l’alto (vedi Principio di Bernoulli). L’intensità del fenomeno dipende dal profilo della superficie aerodinamica in sezione trasversale, dall’area e dalla forma della superficie portante, dalla sua inclinazione rispetto al flusso d’aria e dalla velocità relativa di quest’ultimo.

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Portanza

La portanza, cioè la forza sviluppata da un fluido in moto, come l’aria, su un’ala o una superficie analoga, è direttamente proporzionale all’area della superficie alare e proporzionale al quadrato della velocità relativa della corrente d’aria. Inoltre, per angolazioni comprese generalmente tra più e meno 14°, essa è approssimativamente proporzionale all’inclinazione, o angolo d’attacco, della superficie aerodinamica rispetto al flusso d’aria; per angoli d’attacco più elevati, le caratteristiche del flusso dell’aria mutano rapidamente: esso “si separa” e la portanza cala drasticamente, dando luogo a una situazione detta di “stallo”.

Quando un aereo vola mantenendo un assetto orizzontale, la portanza generata dalle ali e da altri parti della struttura ne controbilancia il peso. Entro i limiti detti sopra, se si aumenta l’angolo d’attacco mentre si mantiene costante la velocità, l’aereo sale; al contrario, se l’angolo d’attacco viene diminuito, ossia l’ala viene inclinata verso il basso, l’aereo perde portanza e comincia a scendere. Inoltre, un aereo sale di quota (cabra) all’aumentare della sua velocità, mentre scende (picchia) se questa diminuisce.

Durante il volo, il pilota cambia spesso la velocità e l’angolo d’attacco e questi due fattori frequentemente si bilanciano tra loro; ad esempio, se il pilota volesse aumentare la velocità mantenendo un volo comunque livellato, dovrebbe ridurre l’angolo d’attacco per compensare l’aumento di portanza dovuto alla maggiore velocità dell’aereo.

Quando si prepara all’atterraggio, il pilota deve ridurre il più possibile la velocità del mezzo e, per compensare la considerevole perdita di portanza dovuta alla diminuzione di velocità, egli opera in modo che si generi ulteriore portanza variando la superficie alare, l’effettivo incurvamento e l’angolo d’attacco. Ciò è possibile grazie all’impiego di dispositivi per aumentare la portanza chiamati ipersostentatori o flaps; si tratta di grandi estensioni alari situate in genere sul lato posteriore dell’ala (chiamato anche bordo d’uscita), o talvolta installati sul lato frontale (o bordo d’attacco). Durante il volo di crociera, la maggior parte dei flaps vengono normalmente ritratti all’interno dell’ala, ma possono essere utilizzati dal pilota ogni volta che questi lo ritenga necessario.

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Resistenza aerodinamica

Nel volo, i fattori che contribuiscono alla portanza generano anche forze non desiderate, definite nel loro complesso resistenza aerodinamica, che tendono a frenare il moto del velivolo attraverso l’aria. Una parte della resistenza aerodinamica è dovuta alle forze di attrito esercitate dall’aria sugli oggetti che si muovono al suo interno e dipende dalla forma e dalla levigatezza delle superfici del mezzo; esse possono essere ridotte affusolando l’aereo. Alcuni aerei sono dotati di congegni per ridurre la resistenza dovuta all’attrito mantenendo il flusso d’aria sulle superfici nella cosiddetta forma “laminare”, ossia riducendo al minimo il verificarsi di moti turbolenti del fluido in prossimità delle superfici.

Un altro tipo di resistenza aerodinamica, chiamata resistenza indotta, è dovuta direttamente alla portanza prodotta dall’ala. Per produrre portanza, infatti, si deve compiere un lavoro e la resistenza indotta ne fornisce la misura; la dissipazione di energia si manifesta sotto forma di turbini o vortici che si formano lungo il bordo d’uscita, in particolare verso le estremità delle ali.

Gli ingegneri aeronautici progettano macchine caratterizzate dal più alto rapporto possibile portanza-resistenza. Questo rapporto tuttavia è limitato da fattori come la velocità e il peso sopportabili dalla cellula del velivolo. Un aereo da trasporto subsonico può avere rapporto portanza-resistenza attorno a 20, mentre quello di un aliante ad alte prestazioni può raggiungere un valore doppio. Per contro, la maggior resistenza che si genera quando un aereo vola a velocità supersoniche riduce il rapporto portanza-resistenza a meno di 10.