Come funziona un'ala di aeroplano?

L'aereo può essere o meno l'invenzione più rivoluzionaria del XX secolo; argomenti possono essere chiaramente addotti per ogni sorta di altre innovazioni, compresi i farmaci antibiotici, il processore del computer e l'avvento della tecnologia di comunicazione globale wireless. Eppure poche di queste invenzioni, se ce ne sono, portano sia la grandezza visiva che l'innato spirito umano di audacia ed esplorazione come fa l'aeroplano.

La maggior parte di un tipico aereo è in gran parte indistinguibile da altri veicoli passeggeri su larga scala; è costituito da un compartimento tubolare in cui siedono passeggeri, responsabili e altri oggetti trasportati. Inoltre, la maggior parte degli aerei ha le ruote; la maggior parte degli osservatori non li collocherebbe come una caratteristica principale, ma la maggior parte degli aerei non potrebbe decollare o atterrare senza di loro.

Chiaramente, però, la principale caratteristica fisica che rende immediatamente identificabile un aeroplano sono le sue ali. In una certa misura, le strutture di supporto di cui leggerai anche aggiungono all'aspetto caratteristico di un aeroplano, ma l'ala è in qualche modo la più avvincente; nonostante il suo aspetto ingannevolmente elementare, l'ala dell'aeroplano è una vera meraviglia dell'ingegneria oltre che indispensabile per la vita nella civiltà moderna.

Il controllo dell'aereo richiede non solosollevamento(molto ne parleremo più avanti) ma anche apparecchiature di sterzo e stabilizzazione verticali e orizzontali. Quanto segue si applica a un aereo passeggeri standard; chiaramente, non esiste un progetto di aeroplano, o del resto un aereo a reazione passeggeri. Pensa alla fisica, non agli ingredienti specifici.

Il tubo, o corpo, di un aeroplano è chiamato ilfusoliera. Le ali sono attaccate alla fusoliera in un punto circa a metà della sua lunghezza. Le ali stesse hanno due serie di componenti mobili sul retro; l'insieme esterno sono chiamatialettoni, mentre quelli più lunghi e interni sono semplicemente chiamatilembi. Questi cambiano rispettivamente il rollio e la resistenza dell'aereo, aiutando a sterzare e rallentando l'aereo. Le punte delle ali hanno spesso piccoli mobilialette, che riducono la resistenza.

Le parti di coda di un aereo includonoorizzontaleestabilizzatori verticali,il primo imitando piccole ali nell'orientamento e vantandosialette dell'ascensore, e quest'ultimo includendo atimone,mezzo principale dell'aereo per alterare la rotta orizzontale. Un aereo che avesse solo motore e ali ma senza timone sarebbe come un'auto potente senza... volante, e non ci vuole un fisico o un pilota professionista per individuare i problemi Qui.

​Orville e Wilbur Wrightsono accreditati per aver effettuato il primo volo di successo, nel 1903 nella Carolina del Nord, negli Stati Uniti. Come forse hai ipotizzato, non erano semplici temerari che hanno messo insieme un congegno sgangherato da un motore e alcune assi leggere e ne hanno fatto un tentativo, uno che funzionava nel loro favore. Al contrario, erano ricercatori meticolosi e capivano che l'ala sarebbe stata l'aspetto critico di qualsiasi meccanismo di volo aereo di successo. ("Aeroplano" è un termine caratteristico ma amabile nel mondo dell'aviazione.)

I Wright avevano accesso ai dati della galleria del vento dalla Germania, e li usarono nella formulazione delle ali per gli alianti che precedettero la loro famosa versione motorizzata del 1903. Hanno sperimentato diverse forme di ali e hanno scoperto che quelle con rapporti di apertura alare-larghezza alare entro un raggio ravvicinato e vicino a 6,4 a 1, sembravano ideali; che questo è quasi perfettoproporzioniè stato confermato dai moderni metodi di ingegneria.

Un'ala è una specie di profilo aerodinamico, che è la sezione trasversale di qualsiasi cosa di interesse per gli ingegneri nel regno della fluidodinamica, come vele, eliche e turbine. Questa rappresentazione è utile per risolvere i problemi perché offre la migliore rappresentazione visiva di come si alza un aereo e di come questo può essere modulato attraverso diverse forme di ali e altre caratteristiche.

Forse a scuola, o semplicemente guardando il telegiornale, hai visto o sentito il termine "ascensore" in riferimento al volo. Cos'è l'ascensore in fisica? L'ascensore è anche una quantità misurabile o viene mappata su una?

La portanza è, infatti, una forza, che per definizione si oppone a quella di un oggetto objectpeso. Il peso a sua volta è la forza prodotta come risultato degli effetti della gravità sugli oggetti conmassa. Raggiungere la portanza significa essenzialmente contrastare la gravità - e la gravità "imbroglia" in questo tiro alla fune verticale, perché non riposa mai!

L'ascensore è unquantità vettoriale, come tutte le forze, e quindi ha sia una componente scalare (il suo numero, o grandezza) sia una direzione specificata (di solito include due dimensioni, etichettateXesì, in problemi di fisica di livello introduttivo). Il vettore disegnato agisce attraverso il centro di pressione dell'oggetto, ed è diretto perpendicolarmente alla direzione del flusso del fluido.

L'ascensore richiede unfluido(un gas o una miscela di gas, come l'aria, o un liquido, come l'olio) come mezzo. Quindi né un oggetto solido né un vuoto fungono da ambiente di volo ospitale; il primo di questi è intuitivamente ovvio, ma se ti sei mai chiesto se potresti guidare un aereo nello spazio manipolando le sue ali o coda, la risposta è no; non c'è "roba" fisica contro cui spingere le parti dell'aereo.

Tutti hanno osservato i vortici e le correnti di un fiume o di un ruscello e hanno riflettuto sulla natura del flusso dei fluidi. Cosa succede quando un fiume o un ruscello diventa improvvisamente molto più stretto, senza variazioni di profondità? Di conseguenza, l'acqua del fiume scorre molto più rapidamente. Velocità più elevate significano più energia cinetica e gli aumenti di energia cinetica dipendono da un certo apporto di energia nel sistema sotto forma di lavoro.

Per quanto riguarda la fluidodinamica, il punto chiave è che la pressione P diminuirà nei fluidi di densità in rapido movimentoρ, compresa l'aria. (La densità è la massa divisa per il volume, o m/V.) Le varie relazioni tra l'energia cinetica di un fluido (1/2)ρv², la sua energia potenziale gh (dovehè qualsiasi variazione di altezza oltre la quale esiste una differenza di pressione del fluido) e pressione totale totalPè catturato dall'equazione resa famosa dallo scienziato svizzero del XVIII secoloDavid Bernoulli. La forma generale è scritta:

Quigè l'accelerazione di gravità sulla superficie terrestre, che ha il valore di 9,8 m/s². Questa equazione si applica a innumerevoli situazioni che coinvolgono il flusso di acqua e gas e il movimento di oggetti nei fluidi, come gli aeroplani che sfrecciano nell'aria del cielo.

Considerando l'ala dell'aereo, l'ultimo termine nell'equazione di Bernoulli può essere omesso perché l'ala è trattata come se fosse ad un'altezza uniforme:

Dovresti anche essere a conoscenza dell'equazione di continuità, che mette in relazione la pressione con l'area dell'ala della sezione trasversale:

La combinazione di queste equazioni mostra come viene prodotta la forza di sollevamento. Fondamentalmente, il differenziale di pressione tra la parte superiore dell'ala e la parte inferiore è il risultato delle diverse forme dei rispettivi lati del profilo aerodinamico. L'aria sopra l'ala può muoversi più velocemente dell'aria sottostante, il che si traduce in una sorta di "pressione di risucchio" dall'alto che si oppone al peso dell'aereo.

Il movimento in avanti dell'aereo stesso, naturalmente, è ciò che crea il movimento dell'aria; la velocità orizzontale dell'aereo è creata dalla spinta dei suoi motori a reazione contro l'aria, e la risultante forza contraria esercitata contro l'aereo in questa direzione è chiamatatrascinare​.

• Quindi un riassunto delle forze verso l'alto, verso il basso, avanti e indietro su un aereo e le sue ali viste da un lato sonosollevamento​, ​peso​, ​spintaetrascinare​.