Ala (aeronautica)

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Ala di un Airbus A300B4-600 Lufthansa

L'ala è la superficie orizzontale di un velivolo, che genera portanza tramite le forze aerodinamiche che agiscono su di essa.

Nel caso in cui l'ala non sia realizzata in un solo elemento, ma sia divisa in due parti, collegate separatamente alla fusoliera, si parlerà più propriamente di semiala (semiala sinistra e semiala destra). Il termine semiala viene usato anche per riferirsi alla metà destra o sinistra di un'ala.

La maggior parte dei velivoli moderni è dotata di una sola ala (una sola coppia di semiali), ma non mancano esempi di velivoli con più ali: si parla allora di biplani (due ali sovrapposte, eventualmente sfalsate) o di triplani (tre ali sovrapposte e leggermente sfalsate). Quando le due ali di un biplano abbiano dimensioni significativamente diverse, si parla di aereo ad un'ala e mezzo, o sesquiplano.

L'ala di un deltaplano è un tipo particolare di ala non rigida detta ala Rogallo. Il parapendio ha invece un'ala mantenuta in forma dalla pressione dell'aria generata dal suo moto.

Esistono anche velivoli dotati di ali tozze e grandi piani di coda che volano, di solito sull'acqua, a pochi metri dalla superficie sfruttando l'effetto suolo. Questi aerei, detti ekranoplani, sono caduti praticamente in disuso.

Profilo alare[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi profilo alare.
Ala teorica.jpg
Elementi dell'ala
  1. semiala
  2. apertura alare
  3. superficie proiettata
  4. corda alare
  5. dorso od estradosso
  6. ventre od intradosso
  7. piano di sezione

Un'ala tipica (detta anche ala teorica) è estremamente utile per comprendere tutte le parti rilevanti ed i nomi utilizzati per definirle.

Eseguendo una sezione dell'ala con un asse parallelo all'asse della fusoliera, si ottiene il profilo alare; anche se i profili alari teorici possibili sono infiniti, quelli maggiormente studiati ed utilizzati sono caratterizzati da sigle univoche, che ne definiscono in dettaglio le caratteristiche. Un'ala può essere a profilo costante quando il profilo sia lo stesso in ogni sezione, oppure a profilo variabile quando a sezioni a differente distanza dalla fusoliera corrispondano profili diversi. Generalmente il profilo tende ad assottigliarsi mano a mano che ci si allontana dalla radice dell'ala.

In prima istanza, è possibile distinguere i profili in ampie categorie, a seconda della curvatura che hanno il ventre ed il dorso:

  • concavo convesso: sia l'intradosso che l'estradosso hanno la parte centrale della curvatura più in alto rispetto ai punti di ingresso e di uscita (relativamente alla parte 'piena' dell'ala, quindi, l'estradosso appare convesso mentre l'intradosso appare concavo);
  • piano convesso: l'estradosso è come nel caso precedente, mentre l'intradosso è piatto.
  • biconvesso: intradosso ed estradosso hanno curvature opposte. Se i profili, pur curvati in senso opposto, sono differenti, si parla di profili biconvessi asimmetrici, mentre, se hanno identica forma, si parla di profili simmetrici;
  • laminare: sono i profili, che, indipendentemente dal loro spessore, riescono a mantenere un flusso non turbolento su una parte rilevante della propria corda. Questa caratteristica si ottiene attraverso lo spostamento del massimo spessore del profilo più verso il bordo di uscita, rispetto ai profili più tradizionali. I profili laminari, o a flusso laminare, oppongono una resistenza minore all'avanzamento, ma solo entro un limitato range di angoli di incidenza rispetto al flusso.

Bordo d'entrata e bordo di uscita[modifica | modifica sorgente]

Il punto di entrata del flusso d'aria che investe l'ala è detto anche bordo d'attacco, ed è il punto più avanzato del profilo alare. Il punto di uscita è quello più arretrato.

Considerando l'ala nel suo insieme (e non più soltanto il profilo alare), si definisce come bordo d'entrata l'insieme dei punti di entrata, ovvero la linea anteriore dell'ala stessa, e come bordo d'uscita l'insieme dei punti di uscita, ovvero la linea posteriore dell'ala stessa.

Il raggio di curvatura del bordo, detto profilo dipende strettamente dal tipo di velivolo. Sui velivoli subsonici e sulle pale della maggior parte dei velivoli ad ala rotante (elicottero) il profilo alare ha una forma smussata ed una curvatura accentuata, mentre sui velivoli supersonici il profilo è molto più sottile per meglio sopportare le onde d'urto e le vibrazioni che si generano nella fase transonica. Questo tipo di profilo è detto anche profilo ipercritico o laminare.

In alcuni casi i bordi d'attacco ed uscita sono mobili, e permettono di variare in volo le caratteristiche aerodinamiche dell'ala. Si chiamano di solito slat gli ipersostentatori di bordo d'attacco e flap gli ipersostentatori di bordo d'uscita.

Corda alare[modifica | modifica sorgente]

La corda alare è la distanza tra il bordo di entrata ed il bordo di uscita. La corda alare è utilizzata per calcolare l'angolo di calettamento, definito come l'angolo che tale corda forma con l'asse longitudinale del velivolo. Non bisogna confondere l'angolo di calettamento con l'angolo di attacco o angolo di incidenza, che è invece definito come l'angolo compreso tra la corda alare e la direzione del vento relativo. Nella maggior parte dei velivoli, la corda alare varia (almeno in lunghezza) man mano che ci si allontana dalla fusoliera procedendo verso le estremità alari. Ai fini di calcolo aerodinamico, si considera solitamente la corda alare media, vale a dire la lunghezza media di tutte le corde alari misurate nei diversi punti dell'ala.

Vi sono casi nei quali, procedendo dalla fusoliera verso le ali, la corda alare varia non soltanto in lunghezza, ma anche come inclinazione: questo significa che anche l'angolo di incidenza non è costante lungo tutta l'ala e, di conseguenza, differisce anche la quantità di portanza sviluppata lungo l'ala medesima. Tale caratteristica prende il nome di svergolamento ed è tipica, ad esempio, di alianti e deltaplani.

Dorso e ventre[modifica | modifica sorgente]

I bordi di entrata e di uscita separano la superficie superiore dell'ala, detta dorso (o estradosso), da quella inferiore, detta ventre (o intradosso). La differenza di pressione generata dalla differente lunghezza di intradosso ed estradosso sta alla base del meccanismo che genera la portanza.

Sia il dorso che il ventre contribuiscono alla generazione della portanza, e sebbene i valori precisi dipendano dalle esatte caratteristiche del profilo alare, schematicamente si può affermare che il ventre contribuisce per circa 1/3, mentre il dorso per i restanti 2/3. In altri termini, si può dire che il profilo alare sia "succhiato" verso l'alto in maniera maggiore di quando non sia spinto.

Scheletro del profilo[modifica | modifica sorgente]

Con questo termine si indica la linea media luogo dei centri delle circonferenze inscritte nel profilo alare delle diverse sezioni (procedendo dalla fusoliera alle estremità alari).

Sempre al fine di quantificare lo 'spessore' dell'ala è stato proposto il termine di "camber": esso rappresenterebbe il rapporto tra altezza massima dell'estradosso sulla corda alare e la corda alare stessa.

Apertura alare[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi apertura alare.

L'apertura alare è, molto intuitivamente, la distanza esistente tra le due estremità alari.

Quando raffrontata con la corda alare media, l'apertura alare consente di calcolare l'allungamento alare:

A = {b^2 \over S}

oppure:

A = {b \over \bar c}

Dove con A (aspect ratio) si è indicato l'allungamento alare, con b l'apertura alare, con c lineato la corda alare media e con S la superficie alare.

Solitamente gli aerei con una maggiore apertura alare hanno anche una maggiore efficienza, perché sono soggetti ad una minor resistenza indotta.

Allungamento alare[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Allungamento alare.

Col termine allungamento si intende il rapporto tra apertura alare e corda alare media: un valore elevato (ad esempio 20) indica un'ala molto stretta ed allungata, quale quella degli alianti, mentre un valore basso (anche prossimo all'unità) indica un'ala piuttosto breve (come quella di alcuni caccia supersonici). Un maggiore allungamento alare consente di ridurre la resistenza indotta, quindi maggiore è l'allungamento, minore sarà la resistenza indotta.

Tuttavia l'allungamento non può essere eccessivamente grande, il limite è strutturale: un'ala molto allungata è più soggetta a tensioni di un'ala tozza. Comunque, dato che la resistenza indotta diminuisce con l'aumentare della velocità, per gli aerei più veloci è possibile trascurare il problema della resistenza indotta ed utilizzare profili a ridotto allungamento, dalle migliori caratteristiche aerodinamiche ad alta velocità.

Geometria dell'ala[modifica | modifica sorgente]

Con questo termine si indica la forma delle ali, viste in pianta: si possono quindi avere ali rettangolari, trapezoidali, con e senza bordi di estremità arrotondati, ellittiche, falcate, a freccia, a delta e così via.

Wing angles.jpg

In base alla geometria dell'ala si possono distinguere vari tipi di ali:

  1. ala rettilinea: Si parla di ala rettilinea quando tra le due semiali non vi è angolo di freccia
  2. ala a freccia positiva: Si parla di ala a freccia positiva quando l'angolo di freccia tra le due semiali è positivo
  3. ala a freccia negativa: Si parla di ala a freccia negativa quando l'angolo di freccia tra le due semiali è negativo
  4. ala a delta: Deve il suo nome alla particolare forma in pianta, pressoché triangolare, che richiama quella della lettera maiuscola greca delta (Δ)
  5. ala a geometria variabile: Un aereo con ali a freccia variabile è in grado di variare l'angolo di freccia durante il volo.
  6. ala obliqua: Un aereo ad ala obliqua ha due diversi angoli di freccia fra le due semiali
  7. ala ellittica: su un aereo come lo Spitfire
  8. ala volante: su un aereo come il B-2 Spirit
  9. ala a delta ogivale: variante dell'ala a delta, su un aereo come il Concorde
  10. ala a doppio delta: variante dell'ala a delta, su un aereo come il Saab 35 Draken
  11. ala trapezoidale: su un aereo come il F-22 Raptor

Freccia ed angolo di naso[modifica | modifica sorgente]

L'angolo di naso è l'angolo formato dai bordi di entrata delle due semiali viste in pianta. L'angolo di freccia è invece l'angolo formato tra la fusoliera ed una delle due semiali.

I due valori sono direttamente collegati: ad esempio ad un angolo di naso di 180 gradi corrisponde un angolo di freccia di zero gradi, e ad una freccia di 30º corrisponde un angolo di naso di 120º. In generale:

2 \Lambda + \alpha _{\mathrm{naso}} = 180^\circ

dove usualmente si indica l'angolo di freccia con Λ.

L'adozione di una freccia alare è dovuta a vari fattori. Storicamente è stata introdotta principalmente per aumentare il numero di Mach critico, ovvero il numero di Mach minimo al quale il flusso sull'ala comincia a diventare sonico. A queste condizioni la resistenza aerodinamica inizia ad aumentare molto fortemente.

Dato che principalmente è la componente normale al bordo d'attacco dell'ala (ovvero la perpendicolare nel piano dove giacciono velocità e bordo d'attacco) quella che contribuisce alla generazione delle forze aerodinamiche, l'angolo di freccia riduce tale componente. Dalla definizione di numero di Mach:

Ma_\mathrm{(critico \ a \ \Lambda \ne 0)} = Ma_\mathrm{(critico \ a \ \Lambda = 0)} \frac{1}{\cos \Lambda}

Nei velivoli relativamente lenti, cioè ad una velocità minore di Ma ≈ 0,6 (il valore dipende molto dalle caratteristiche geometriche dell'ala) risulta conveniente l'utilizzo di un'ala trapezoidale senza freccia o con una freccia molto piccola.

Nel volo a velocità maggiore, l'ala può accelerare a velocità supersonica piccole zone di flusso sul dorso, e generare onde d'urto che aumentano la resistenza. All'aumentare della velocità di volo, la zona interessata dalle onde d'urto crescerà fino a contenere tutto il profilo alare.

L'onda d'urto generata ha un angolo di incidenza sulla fusoliera tanto minore quanto maggiore è la velocità dell'aereo. È importante che le ali dell'aereo rimangano all'interno del cono formato da quest'angolo, quindi quanto maggiore deve essere la velocità raggiungibile dall'aereo, tanto minore deve essere l'angolo di freccia. In regime supersonico, ad esempio, ad una velocità di Mach 3 (3 volte la velocità del suono) l'angolo sarà di circa 60 gradi, quindi la freccia delle ali dovrà essere inferiore ai 30 gradi. Gli alianti invece, per motivi di posizionamento del baricentro, spesso hanno le ali con angolo di freccia leggermente negativo.

I vantaggi di un angolo di freccia sono:

  • aumento del Mach critico;
  • diminuzione della sensibilità alle perturbazioni (diminuisce la sensibilità della portanza all'angolo d'attacco);
  • riduzione della resistenza.

Gli svantaggi invece sono:

  • diminuzione del massimo coefficiente di portanza al variare dell'angolo d'attacco;
  • ispessimento dello strato limite alle estremità alari a causa di una componente della velocità parallela al bordo d'attacco;
  • peggiori caratteristiche alle alte incidenze: tendono a stallare prima le estremità alari e quindi l'aereo tende ad alzare il muso esaltando il fenomeno invece di contrastarlo.

Posizione dell'ala e peculiarità[modifica | modifica sorgente]

Angolo diedro[modifica | modifica sorgente]

diedro alare e vento laterale

Osservando un'ala in proiezione frontale, è possibile valutare se entrambe le semiali giacciano sullo stesso piano o se, invece, formino un angolo (rivolto verso il basso o verso l'alto) nel loro punto di incontro lungo la fusoliera.

L'angolo eventualmente formato dalle semiali con un piano orizzontale viene detto angolo di diedro e la sua presenza ha una notevole importanza nel rendere un velivolo autostabile. L'autostabilità di un velivolo è la capacità di un velivolo di ritornare autonomamente in una posizione stabile dopo una sollecitazione.

Si consideri a titolo d'esempio una perturbazione tale da far rollare il velivolo, partendo quest'ultimo da una condizione di volo rettilineo e uniforme. In base a semplici considerazioni geometriche nascerà una componente della forza peso perpendicolare al piano di simmetria dell'aeromobile tale da generare un moto laterale. Con angolo di diedro positivo la semiala abbassatasi per il movimento di rollio sarà soggetta ad un aumento dell'angolo di incidenza dovuto alla velocità laterale (viceversa per l'altra semiala): ne nascerà un momento di rollio tale da opporsi alla perturbazione iniziale.

È intuitivo che se le ali avessero un diedro negativo l'aereo risponderebbe ad una instabilità divenendo ancora più instabile. Questa condizione di instabilità rende l'aereo più difficilmente pilotabile, ma contemporaneamente lo rende anche più maneggevole. Ali a diedro negativo si possono trovare su aerei quale il MiG-29, il MiG-15 o, ancora più evidente, nell'F-104.

Posizione dell'ala[modifica | modifica sorgente]

A seconda della posizione rispetto alla fusoliera l'ala può essere:

  • alta: Posta sopra la fusoliera
  • media o trasversante: Posta in prossimità della mediana della fusoliera
  • bassa: Sottostante alla fusoliera.
" "
ala bassa
" "
ala media
" "
ala alta
" "
ala alta a parasole

La posizione dell'ala è un importante fattore di stabilità. Un'ala alta rende l'aereo più stabile, perché l'aereo si trova "appeso" alle ali: il suo baricentro è più in basso del punto di applicazione della portanza, quindi l'aeromobile tende a ritornare da solo in una posizione stabile.

L'ala bassa invece, con il baricentro collocato sopra al punto di applicazione della portanza, rende l'aereo più instabile ma al contempo gli conferisce una maggiore maneggevolezza.
L'ala media richiede una struttura leggermente più complessa, ma migliora leggermente le prestazioni del velivolo riducendo la resistenza di forma. Per questo motivo è spesso utilizzata negli aerei di linea moderni e negli alianti.

Si può notare che in genere gli aerei con ala bassa richiedono il diedro positivo per avere un minimo di stabilità (come la maggior parte dei Piper), mentre gli aerei con l'ala alta non richiedono il diedro (come la maggior parte dei Cessna).

Ala a fessura[modifica | modifica sorgente]

Se l'ala è interrotta da più fessure parallele all'apertura alare, viene detta ala a persiana.

Ala a sbalzo[modifica | modifica sorgente]

Viene detta ala a sbalzo un'ala che per tutta la propria lunghezza (nel senso dell'apertura alare) non presenti strutture di sostegno esterne, risultando fissata alla fusoliera soltanto nella parte centrale.

Quando invece oltre al punto di fissaggio centrale siano presenti uno o più tiranti di sostegno che arrivano a meno di metà semiala di distanza dalla fusoliera, le ali vengono dette a semisbalzo.

Strumenti tipici di variazione del profilo alare[modifica | modifica sorgente]

Se il profilo alare determina le caratteristiche di volo di un'ala e quindi di un aeromobile (prima fra tutte la velocità minima di volo in sicurezza) diviene evidente che, qualora un'ala sia progettata per volare in modo ottimale ad elevate velocità, sarà piuttosto impegnativo effettuare i decolli e gli atterraggi (che iniziano e si concludono con l'aeromobile fermo). Ideale è quindi la possibilità di variare il profilo alare (non la geometria alare) nelle diverse fasi: un profilo in grado di sviluppare elevata portanza alle basse velocità (per le manovre di decollo ed atterraggio) e di produrre invece scarsa resistenza alle alte velocità. A tale fine gli aeromobili utilizzano alcuni strumenti particolari:

Control surfaces on airfoil.svg

LEGENDA:

  1. aletta d'estremità (winglet)
  2. alettone d'estremità
  3. alettone interno
  4. carenatura degli attuatori
  5. ipersostentatore di bordo d'attacco (slat)
  6. ipersostentatore di bordo d'attacco (slat)
  7. ipersostentatore di bordo d'uscita (flap)
  8. ipersostentatore di bordo d'uscita (flap)
  9. deflettore di flusso (spoiler).
  10. deflettore di flusso (spoiler).

Freni aerodinamici e diruttori di flusso[modifica | modifica sorgente]

Vi sono casi nei quali è conveniente ridurre anche drasticamente la portanza sviluppata da un'ala per consentire una rapida perdita di quota (è ad esempio il caso degli alianti, dotati solitamente di una elevata efficienza: ridurre la portanza a bassa quota facilita l'atterraggio[1]).

Anche gli aerei di linea usano questa tecnica subito dopo l'atterraggio, perché l'efficacia della frenata, dopo il contatto delle ruote con il suolo, dipende grandemente dal peso che grava sulle ruote stesse.

Tale riduzione di portanza viene ottenuta dai freni aerodinamici o dai diruttori di flusso, (detti anche spoiler): si tratta di elementi mobili, posti sul dorso dell'ala, che possono alzarsi staccando il flusso d'aria e creando una bolla di ricircolo a pressione ambiente e quindi eliminando quasi completamente la portanza in quel punto dell'ala.

Un'altra funzione degli spoiler è la correzione in volo dell'imbardata inversa prodotta dal movimento degli alettoni durante la virata. In questo caso infatti l'ala che si solleva, per effetto della deflessione in basso dell'alettone, produce una resistenza indotta[2] maggiore dell'ala che si è abbassata. Ne consegue un movimento di imbardata che porta il muso dell'aereo in direzione opposta al senso di virata. Nei moderni aerei commerciali questa imbardata si compensa con i flight spoiler, ovvero si solleva il deflettore sull'ala che si abbassa - dove cioè l'alettone è ruotato verso l'alto - compensando in questo modo la resistenza indotta dell'ala opposta.

Ipersostentatori[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Ipersostentatore.
Meccanismo di azione di uno slat:
1: slat esteso;
2: slat retratto;
3: superficie alare;
4: meccanismo di estrazione.

Vi sono casi nei quali si desidera incrementare la portanza sviluppata da un'ala, tipicamente alle basse velocità. Di solito ciò avviene nelle fasi decollo e di atterraggio.

Tale aumento viene ottenuto da strutture mobili che modificano il profilo alare, aumentandone spesso anche la corda: si parla in questo caso di flap (quando le parti mobili modificano il bordo di uscita) oppure di slat (quando le parti mobili modificano il bordo di entrata dell'ala).

Durante il volo normale, invece, tali strutture vengono ritirate, perché solitamente queste superfici non incrementano soltanto la portanza, ma anche la resistenza dell'ala (rendendola poco idonea al volo ad alte velocità).

Alettoni[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Alettone (aeronautica).

Gli alettoni sono sezioni mobili dell'ala, incernierati lungo il bordo di uscita. Un alettone è in grado di variare le caratteristiche aerodinamiche dell'ala in cui si trova aumentandone o diminuendone la portanza.

Se vengono utilizzati gli alettoni di una sola semiala, il risultato è una variazione di assetto dell'intero apparecchio, principalmente attorno all'asse di rollio.

Atterraggio: si notino gli ipersostentatori (le superfici ruotate verso il basso) alla loro massima estensione ed i deflettori estesi sul dorso.

Altre funzioni[modifica | modifica sorgente]

Oltre alla funzione aerodinamica, alle ali sono spesso demandati anche altri compiti, che richiedono elementi strutturali specifici:

  • Dispositivi antighiaccio a riscaldamento o pneumatici: Su molti aerei, soprattutto di linea, il bordo d'attacco può essere dotato di dispositivi antighiaccio: la formazione di ghiaccio sulle ali è infatti pericolosa. I dispositivi antighiaccio si dividono in due categorie:
    • Dispositivi Anti-icing: che prevengono la formazione del ghiaccio sulle varie superfici
    • Dispositivi De-icing: che hanno il compito di eliminare il ghiaccio formatosi sulle superfici
  • Caverie e comandi: nell'ala trovano posto tutti i cavi ed i rimandi necessari per muovere le superfici di cui sopra.
  • Motori: spesso i motori sono posizionati sulle ali e, in questi casi, le ali hanno opportuni castelli e rinforzi per il contenimento del peso e per il trasferimento all'intero apparecchio della spinta generata dai motori.
  • Serbatoi: il posizionamento dei serbatoi nelle ali ha il vantaggio di mantenere le variazioni di peso legate al consumo di carburante in una posizione vicina al baricentro dell'intero apparecchio, riducendo gli effetti delle variazioni stesse sull'assetto di volo. I serbatoi degli aerei sono realizzati in modo da minimizzare l'effetto del rollio del carburante.
  • Carrelli retrattili: il posizionamento dei carrelli nelle ali si rende necessario per ottenere una distanza sufficiente tra le ruote medesime, dando stabilità al mezzo quando si muove al suolo (e durante l'atterraggio). Considerazioni legate alla resistenza che le ruote genererebbero ad alte velocità ne suggeriscono la 'scomparsa' durante il volo: esse vengono richiamate in appositi alloggiamenti ricavati nella ali stesse.
  • Luci di posizione: Servono soprattutto per poter essere visibili da altri aeromobili e dalla torre di controllo.
  • Armi, munizioni: nel caso di aerei ad uso militare; anche in questo caso valgono le considerazioni di peso svolte per il carburante.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ L'effetto suolo tende a far galleggiare il velivolo.
  2. ^ La resistenza è funzione della portanza: quando quest'ultima aumenta, in generale aumenterà anche la resistenza. La teoria della resistenza indotta è una teoria che permette di tener conto degli effetti delle estremità alari sulla resistenza.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]