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Un aereo 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 aeroplano è una semplice automobile.
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 a causa della forza di gravità. L'ascensore viene creato dal flusso d'aria attorno all'aereo, specialmente attorno alle ali. La resistenza è la forza della resistenza dell'aria contro il movimento dell'aereo. Questa forza aumenta all'aumentare della velocità dell'aeromobile ma diminuisce se l'aereo ha una forma regolare o aerodinamica. Il motore e il sistema di propulsione dell'aereo, sia a getto che a elica, generano una forza di spinta per superare la resistenza.
Newton e Bernoulli
Due scienziati europei hanno spiegato i principi del volo aereo. Il fisico inglese Isaac Newton (1642–1727) ha elencato tre leggi del movimento 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 da una forza esterna. Il secondo afferma che una forza diretta verso un oggetto fa sì che acceleri nella direzione di quella forza. Il terzo afferma che per ogni forza esiste una forza uguale e contraria. Il matematico svizzero Daniel Bernoulli (1700-1782) fu un pioniere nello sviluppo di una spiegazione matematica per la fluidodinamica, la meccanica di come fluiscono liquidi e gas. La sua importante scoperta, nota come principio di Bernoulli, afferma che all'aumentare della velocità del flusso d'aria, la sua pressione diminuisce.
Angolo di attacco
Le ali dell'aeroplano sono progettate per inclinarsi leggermente rispetto all'orizzontale, noto anche come percorso di volo. Questo angolo di inclinazione è chiamato angolo di attacco ed è la variabile più importante nella generazione di portanza. Un aereo inizia a muoversi quando il pilota applica la spinta dal motore per far avanzare l'aereo a terra. Il pilota ruota l'aereo verso l'alto sollevando il muso per aumentare l'angolo di attacco e ottenere il decollo. Tuttavia, un angolo di attacco troppo ampio bloccherà l'aereo.
Curvatura del flusso
L'ascensore è generato dalla curvatura dell'aria intorno alle ali di un aereo. Quando il flusso d'aria colpisce il bordo anteriore di un'ala, si divide in due, alcuni che scorrono lungo la superficie superiore e altri che scorrono lungo la superficie sottostante. La forma di un'ala è leggermente asimmetrica, con una superficie maggiore sul lato superiore. Il flusso d'aria si attacca alla superficie superiore mentre si muove tra i bordi anteriore e posteriore dell'ala, curvando e abbassando la pressione secondo il principio di Bernoulli. Man mano che l'aereo aumenta di velocità, l'ascensore aumenta secondo la seconda legge del movimento di Newton. Questo a sua volta aumenta la curvatura dell'aria sulla superficie superiore, forzando più aria verso il basso dal bordo posteriore delle ali. Mentre l'aereo si muove attraverso l'aria, anche le ali inferiori rivolte verso il flusso d'aria nell'angolo di attacco deviano un po 'di flusso d'aria verso il basso. Questo flusso d'aria verso il basso genera una reazione uguale e contraria in un flusso verso l'alto di aria ad alta pressione (terza legge di Newton), aumentando il sollevamento e mantenendo l'aereo in volo.