Le cinque forze

             Durante un volo, su di un qualsiasi velivolo agiscono essenzialmente cinque forze, che, variando di modulo, direzione e punto di applicazione danno origine ad una serie di momenti che permettono al velivolo di compiere tutte le manovre per cui è stato progettato. Queste cinque forze sono: il peso[1] “Q”; la portanza “P”; la trazione “T”; la resistenza aerodinamica “R” e la forza centrifuga “Fc”.

Il peso

Il peso di un aeromobile dipende essenzialmente dalla sua massa, e questa, durante un volo, può variare solamente a causa del consumo di carburante o dello sganciamento di alcuni carichi appesi o contenuti nel velivolo.

La portanza

La portanza è, invece, una forza ben più variabile del peso: essa infatti dipende da quattro fattori principali: la densità del fluido “r” nel quale è immerso il velivolo; la velocità relativa di tale fluido “V”; la superficie alare del velivolo “S” e dal coefficiente di portanza “Cp”, variabile da profilo a profilo e, per uno stesso profilo, da incidenza ad incidenza.

Da numerosi studi è stato ricavato che la portanza varia secondo la formula

 [f.01]

Dalla [f.01], si intuisce che, per uno stesso velivolo (cioè mantenendo costante “S”), la portanza assumerà valori massimi quando  r,Cp ed S raggiungeranno i loro massimi relativi.  

Per quanto riguarda r, il suo valore aumenta con il diminuire della quota, raggiungendo il massimo a quota zero, cioè ad ul’altitudine pari a quella del livello del mare. Il valore standard di densità a questa quota è di 1,225 kg/m³, ed è proprio questo valore che si andrà ad utilizzare per tutti i calcoli che verranno esposti nel corso di questa trattazione.

Restano quindi da determinare i valori massimi di Cp e di V: solitamente, questi due valori sono impostati dal progettista, il quale è colui che stabilisce la velocità massima del velivolo ed il tipo di profilo da impiegare per la costruzione dell’ala. Resta comunque il fatto che questi due valori sono strettamente collegati, e non ha senso parlare dei loro massimi relativi senza esporre prima quali sono le leggi che ne regolano le variazioni. Il legame esistente tra queste due entità verrà trattato durante la descrizione del diagramma di manovra.

La trazione

            Con il termine generico di trazione possono venir indicate due diverse forze agenti sul velivolo:  la trazione disponibile, cioè la forza fornita dal propulsore che permette al velivolo di avanzare, e la trazione necessaria, cioè la forza necessaria al velivolo per  il suo moto. Indipendentemente dal fatto che il velivolo in considerazione sia dotato di un normale motore alternativo o di una turbina a gas, la trazione massima disponibile, cioè la massima forza propulsiva che il motore riesce ad esprimere, diminuisce con l’aumentare della quota a causa della diminuzione della densità dell’aria. Ad una determinata quota, comunque, la trazione massima disponibile può essere considerata costante. La trazione necessaria, invece, aumenta con l’aumentare della quota, in quanto deve aumentare la velocità di volo, in modo da compensare la diminuzione del valore della densità all’interno della formula della portanza.

La resistenza aerodinamica

            Con il simbolo “R” viene generalmente indicata la resistenza di un determinato profilo o velivolo, cioè quella forza che si sviluppa durante il moto del velivolo e che vi si oppone.

La resistenza totale di un velivolo, comunque, è il risultato della sommatoria di una serie di forze distinte, come la resistenza di forma, la resistenza di attrito e la resistenza indotta. Nelle pagine seguenti, con il termine “resistenza” verrà intesa la resistenza totale, in quanto sarà questa ad avere la maggior influenza in tutti i calcoli e considerazioni.

La resistenza dipende essenzialmente dagli stessi fattori da cui dipende la portanza, con la sola differenza che, al posto di un coefficiente di portanza “Cp” vi è un coefficiente di resistenza “Cr”. La resistenza totale sarà data quindi dalla

 [f.02]

Forza centrifuga

            Durante alcune manovre, principalmente durante una richiamata od una virata, il velivolo viene costretto a seguire delle traiettorie curve. Questa condizione porta alla formazione di una forza centrifuga e di una forza centripeta, le quali dipendono dal raggio della curva percorsa e dalla velocità con la quale viene affrontata. In particolare, la forza centrifuga è data dal prodotto tra una massa ed un’accelerazione, le quali possono essere interpretate nella seguente maniera:

[f.03]

dove con “r” viene indicato il raggio di curvatura della manovra e con “g” l’accelerazione gravitazionale.

            La forza centrifuga assume una notevole importanza, in quanto sommandosi al peso del velivolo da origine a quello che viene comunemente chiamato “peso apparente”. Anche questo argomento verrà trattato più completamente nel capitolo relativo al diagramma di manovra.

Equilibrio di forze

            Durante il corso di questa trattazione, tutte le considerazioni ed i calcoli che verranno esposti si baseranno su di un principio fondamentale, e cioè che il volo si svolga nelle condizioni di regime. Questa semplificazione della realtà non comporta, comunque, sostanziali variazioni dei fatti, in quanto si tralasciano quei periodi di transizione tra una fase di volo e l’altra che generalmente assumono un tempo molto limitato, o che dipendono molto dal pilota.  

            Secondo questo principio, quindi, la trazione deve essere sempre uguale alla resistenza e la portanza uguale al peso. Questa considerazione è di carattere puramente generale, in quanto, così scritta, vale esclusivamente per il volo orizzontale rettilineo uniforme. È facile immaginare come la portanza, cioè la componente della forza aerodinamica ortogonale alla direzione del moto del fluido in cui si muove il velivolo, possa trovarsi ad agire lungo una direzione diversa da quella della forza peso, la quale è sempre orientata  verso il centro del nostro pianeta. In queste condizioni, quindi, la portanza si troverà a contrastare solo una componente del peso, mentre le componenti rimanenti andranno ad incrementare la trazione, la resistenza o la forza centripeta in base alla manovra considerata.