Per un volo di ventisette ore, che è più o meno il tempo che ho impiegato per tornare dalla Nuova Zelanda. Lassù, nei comodi sedili della Qatar Airways, mi sono chiesto come abbiamo fatto a volare così bene senza cadere, come direbbe M. Rajoy, “è il buon senso”. Queste sono le risposte.
Gli aerei volano perché non c’è una forza risultante. E quando un corpo non è sottoposto ad alcuna forza, continuerà a stare fermo o a velocità costante. Questo era già stato affermato da Isaac Newton nella sua prima legge. Ma questo non significa che non ci sia una forza che agisce sul piano. L’aereo ha un peso, i passeggeri e i loro bagagli hanno un peso, e ogni molecola nell’aria spinta dai motori o che colpisce la fusoliera genera una forza. Quello che succede è che gli ingegneri sono riusciti a utilizzare alcuni di quegli urti per contrastare il peso e la resistenza dell’aria.
Per riassumere, si può dire che gli aerei volano basandosi principalmente su due teorie che abbiamo imparato al liceo, anche se non sapevamo bene a cosa diavolo servissero: l’effetto Venturi e, più importante, la terza legge di Newton, conosciuta anche come “legge di azione e reazione”.
Cominciamo con le forze con direzione verticale. Quella che tira verso il basso è la forza di gravità e quella che punta verso l’alto è la spinta. Ma da dove viene quest’ultimo? Anche se proviene da tutta la fusoliera, cioè da tutto il corpo dell’aereo (Figura 1), la maggior parte proviene dalle ali, e in entrambi i casi questo avviene grazie all’effetto Venturi (Figura 2).
L’effetto Venturi è che quando un fluido aumenta la sua velocità, la sua pressione diminuisce. Per approfittare di questo, le ali degli aerei sono progettate in modo che la loro parte superiore sia più curva di quella inferiore, il che significa che la distanza che l’aria deve percorrere è maggiore nella zona superiore e, quindi, che è costretta ad aumentare la sua velocità. A causa dell’effetto Venturi, questo fa diminuire la pressione sopra l’ala (più alta è la velocità, più bassa è la pressione). In breve, la parte inferiore dell’ala ha una pressione più alta della parte superiore, e questo esercita una spinta verso l’alto che aiuta l’aereo a rimanere in aria.
Tuttavia, la forza esercitata dall’effetto Venturi non è sufficiente da sola a mantenere l’aereo in aria, ed è qui che entra in gioco la terza legge di Newton, che afferma che, data una forza o un’azione prodotta su un oggetto, questa genera a sua volta una reazione di uguale intensità, ma in direzione opposta (provate a prendere a testate un muro e capirete di cosa stiamo parlando).
E come si usa questa teoria negli aerei? Ebbene, ancora una volta, grazie alla forma e alla posizione delle ali, che sono progettate in modo che l’aria che le attraversa sia spinta verso il basso, generando così una forza di azione verso il basso sull’aria, che, per la legge di Newton menzionata sopra, si traduce in una forza di reazione verso l’alto sull’ala. Naturalmente, più veloce si va, più forza si ottiene, ed è per questo che gli aerei devono raggiungere una velocità molto alta prima per decollare e poi per rimanere in aria.
Un modo semplice per verificare quello che sto dicendo è quello di mettere la mano fuori dal finestrino dell’auto. Se invece di mettere la mano di profilo, la inclini leggermente verso il vento, sposterai l’aria verso il basso e sentirai una forza verso l’alto che tende a sollevare non solo la mano, ma tutto il braccio.
La terza legge di Newton è anche aiutata dal cosiddetto effetto Coanda, un fenomeno fisico per cui un fluido tende ad aderire e a seguire la traiettoria di un oggetto con cui è in contatto. Nel caso degli aerei, l’aria (fluido) tende ad attaccarsi all’ala dell’aereo (l’oggetto che colpisce) e a seguire la sua traiettoria (cioè seguire una direzione verso il basso). Potete vedere un esempio pratico nel cucchiaio nella fotografia o, ancora meglio, in questo video.
E come viene generato dal corpo dell’aereo? Si ottiene perché le molecole d’aria lo spingono verso l’alto. Grazie alla sua forma, in movimento ci sono più molecole che si scontrano in basso che in alto, (nello stesso modo in cui quando si corre sotto la pioggia ci sono meno gocce che colpiscono la schiena) e quelle che si scontrano in alto si scontrano con molta meno velocità di quelle che si scontrano in basso, il che genera una differenza di pressione che è ciò che solleva il piano (Figura 1).
Ora, sull’asse orizzontale abbiamo una forza che spinge il piano all’indietro. Questa forza è costituita dalle molecole d’aria che si scontrano con l’aereo. Per contrastare questa forza ci sono i motori, che spingono le molecole d’aria all’indietro, e lo fanno girando rapidamente con le loro pale. Grandi e pochi negli aerei ad elica, e molti e piccoli negli aerei a turbina.
Bene, sappiamo più o meno perché un aereo vola, ma perché vola così in alto? La maggior parte degli aerei commerciali naviga a un’altitudine di quasi 35.000 piedi, circa 10,6 chilometri. Se ci pensate, è un sacco di altitudine. Perché non volare a un paio di chilometri dal suolo, che è un’altitudine più che sufficiente affinché l’aereo non abbia problemi con strutture come torri o grattacieli? Se stai cercando di evitare le montagne, anche se tutte le montagne del mondo fossero alte come l’Everest (8,8 chilometri), perché prendere quasi 2.000 metri di margine di sicurezza in più?
Bene, prima di tutto, l’altitudine a cui la maggior parte degli aerei vola non è una scelta arbitraria. Ci sono ottime ragioni per farlo. Quelli che seguono sono i principali.
Una delle ragioni principali per cui gli aerei commerciali volano così in alto è la resistenza dell’aria. Più si va in alto, più l’atmosfera diventa sottile, e quindi meno resistenza c’è al volo dell’aereo. Gli aerei volano a questa altitudine da quando sono stati inventati i motori a reazione (gli aerei non usano più i motori a reazione originali, ora usano i turboventilatori). Questi motori, essendo più simili a sistemi di jet a razzo, hanno un impulso specifico più alto, poiché c’è meno aria. Tuttavia, hanno bisogno dell’ossigeno atmosferico per mantenere la combustione.
In ogni caso, più molecole d’aria l’aereo deve eliminare nel suo percorso, più energia richiede, più combustibile consuma, e più alti saranno i costi operativi di conseguenza. A causa della minore resistenza alle alte quote, gli aerei commerciali volano con un consumo minimo di carburante. Questo è il motivo per cui 35.000 piedi è noto come “altitudine di crociera”, dove si raggiunge un equilibrio tra i costi operativi e l’efficienza del carburante.
Un’altra ragione importante è che, ad altitudine di crociera, l’atmosfera è più stabile e di solito non devono preoccuparsi di nuvole e altri fenomeni meteorologici come i temporali. Gli aerei possono navigare attraverso le nuvole e i temporali senza grandi problemi, ma quando lo fanno, la turbolenza è inevitabile, che, oltre ad essere scomoda per i passeggeri, potrebbe causare il panico nella cabina di pilotaggio.
La rimozione degli ostacoli è un terzo e ovvio motivo. Se state pilotando un aereo sulla console o sul computer, potete volare basso, fare capriole, passare tra gli edifici, attraversare gole e così via. Ma questa non è la realtà. Se farlo è troppo pericoloso anche per un piccolo aereo da combattimento o da esposizione, per un grande aereo commerciale è praticamente impossibile. Con un piccolo veicolo, anche io potrei fare manovre impossibili per un autobus urbano.
Inoltre, come tutti sanno, il terreno non è il palmo della mano, ma sopra il livello del mare ci sono una moltitudine di forme di terreno, quindi l’aereo sale ad un’altitudine abbastanza alta per stare lontano da ogni tipo di forma di terreno. E se si devono evitare le forme di terra, volare a 35.000 piedi assicura anche che l’aereo sia ben al di sopra del volo della maggior parte degli uccelli. Questo è fondamentale, perché gli attacchi di uccelli possono essere molto più di un semplice contrattempo o fastidio.
Ci sono stati molti casi di incidenti di bird strike, ma quello che ha ricevuto più attenzione è stato il caso del volo US Airways 1549. Il 15 gennaio 2009, un aereo (Airbus 320) ha fatto un miracoloso atterraggio senza motore nel fiume Hudson dopo essere stato colpito da uno stormo di uccelli poco dopo il decollo dall’aeroporto LaGuardia di New York City. Incredibilmente, non ci fu una sola vittima. Ecco perché l’atterraggio sconnesso e felice – trasformato nel film Sully, diretto da Clint Eastwood e interpretato da Tom Hanks – è noto come il “miracolo sull’Hudson”.
Supponiamo che tu stia volando su un aereo di linea a un chilometro da terra e qualcosa vada storto. L’aereo comincia ad andare in picchiata. Sai che puoi risolvere il problema che sta causando la rapida discesa dell’aereo, ma sta scendendo troppo velocemente e semplicemente non hai abbastanza tempo per risolvere il problema. A quel punto, penseresti: “Se solo avessi più tempo…”. Questo è un altro motivo per cui gli aerei commerciali volano a un’altitudine di circa 11 km, un’altitudine che funge da “cuscino di sicurezza” e dà ai piloti il tempo di riparare le cose se qualcosa va storto.