Un aeroplano creato dall'uomo vola secondo gli stessi principi della fisica di un uccello: deve superare le forze gravitazionali per raggiungere il sollevamento e il volo. Le ali di un aeroplano lavorano per generare l'ascensore, e lo fanno curvando il flusso d'aria intorno a loro. Senza ali, un aereo è una semplice automobile.

Le forze aeree

Gli aerei e gli uccelli sono in grado di volare perché bilanciano quattro forze: sollevamento, peso, resistenza e spinta. Un aereo decolla in aria quando l'ascensore - la forza che spinge verso l'alto sulla superficie inferiore delle sue ali - supera il peso dell'aereo dovuto alla forza di gravità. Il sollevamento è creato dal flusso d'aria intorno all'aereo, specialmente attorno alle ali. Il trascinamento è la forza della resistenza aerea contro il movimento dell'aereo. Questa forza aumenta con l'aumentare della velocità del velivolo, ma diminuisce se l'aereo ha una forma liscia o aerodinamica. Il motore e il sistema di propulsione del velivolo, sia a propulsione che a propulsione, generano una forza di spinta per superare la resistenza.

Newton and Bernoulli

Due scienziati europei hanno spiegato i principi del volo aereo. Il fisico inglese Isaac Newton (1642-1727) enumera tre leggi del moto applicabili a tutti gli oggetti in movimento. Il primo è che gli oggetti rimangono a riposo o in movimento uniforme a meno che non siano costretti a cambiare con una forza esterna. Il secondo afferma che una forza diretta verso un oggetto lo fa accelerare nella direzione di quella forza. Il terzo afferma che per ogni forza esiste una forza uguale e opposta. Il matematico svizzero Daniel Bernoulli (1700-1782) fu un pioniere nello sviluppo di una spiegazione matematica per la fluidodinamica, la meccanica di flusso di liquidi e gas. La sua scoperta principale, nota come principio di Bernoulli, afferma che con l'aumentare della velocità del flusso d'aria, la sua pressione diminuisce.

Angolo di attacco

Le ali degli aeroplani sono progettate per inclinarsi leggermente dall'orizzontale, noto anche come il percorso del volo. Questo angolo di inclinazione è chiamato angolo di attacco ed è la variabile più importante nella generazione dell'ascensore. Un aereo inizia a muoversi quando il pilota applica una spinta dal motore per far muovere l'aereo in avanti sul terreno. Il pilota fa ruotare l'aereo verso l'alto sollevando il muso per aumentare l'angolo di attacco e raggiungere il decollo. Tuttavia, un angolo di attacco troppo grande bloccherà l'aereo.

Curvatura del flusso

Il sollevamento è generato dall'aria che curva attorno alle ali di un aeroplano. Quando il flusso d'aria colpisce il bordo d'attacco di un'ala, si divide in due, alcuni fluiscono lungo la superficie superiore e altri fluiscono lungo la superficie sottostante. La forma di un'ala è leggermente asimmetrica, con una superficie più ampia sul lato superiore. Il flusso d'aria aderisce alla superficie superiore mentre si muove tra i bordi d'attacco e di coda dell'ala, curvando e abbassando la pressione secondo il principio di Bernoulli. Mentre l'aereo raccoglie velocità, l'ascensore aumenta secondo la seconda legge del moto di Newton. Questo a sua volta aumenta la curvatura dell'aria sulla superficie superiore, spingendo più aria verso il basso dal bordo di uscita dell'ala. Mentre l'aereo si muove attraverso l'aria, la parte inferiore dell'ala che si affaccia sul flusso d'aria all'angolo di attacco devia anche un certo flusso d'aria verso il basso. Questo flusso d'aria verso il basso genera una reazione uguale e contraria in un flusso ascendente di aria ad alta pressione (terza legge di Newton), aumentando il sollevamento e mantenendo l'aereo in volo.