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Lezione 7 — Geometria alare

Obiettivo: alla fine di questa lezione sai cosa sono apertura, superficie alare, allungamento, rastremazione, freccia e diedro, calcolare \(\lambda\) per un velivolo dato, e capire perché velivoli con missioni diverse hanno geometrie diverse.


🎯 In una riga

L'ala in 3D non è solo un profilo ripetuto — è una forma con apertura, rastremazione, freccia e diedro, scelti dal progettista per bilanciare velocità, manovrabilità, efficienza e stabilità.


✈️ A cosa serve davvero

Già sai che il profilo alare (lezione 1) è la sezione 2D dell'ala. Ma vedendo un Cessna, un caccia e un aliante, ti accorgi che la differenza non è solo nel profilo: è come quel profilo viene esteso e modellato lungo l'apertura. È qui che si decide:

  • Quanto "vola lontano" (allungamento → efficienza)
  • Quanto "vira stretto" (carico alare, allungamento)
  • Quanto "tiene la rotta dritta" (diedro → stabilità laterale)
  • A che velocità lavora bene (freccia → effetti aerodinamici a Mach alti)

📐 I 5 parametri geometrici fondamentali

1. Apertura alare (\(b\))

La distanza tra le due estremità dell'ala (tip a tip), misurata in metri.

Velivolo \(b\)
Cessna 172 11 m
Piper PA-28 11 m
ATR 72 27 m
Boeing 737-800 35,8 m
Eurofighter 11 m
Aliante ASK-21 17 m

💡 Nota curiosa: il Cessna 172 e l'Eurofighter hanno apertura simile, ma il Cessna pesa 1 t e l'Eurofighter 11 t. Apertura uguale ≠ ali uguali.

2. Superficie alare (\(S\))

L'area dell'ala vista dall'alto (proiezione sul piano), misurata in m². Include solo la parte alare; non la coda né il timone.

Velivolo \(S\)
Cessna 172 16,2 m²
ATR 72 61 m²
Boeing 737-800 124,6 m²
Eurofighter 50 m²
Aliante ASK-21 17,9 m²

3. Allungamento alare (\(\lambda\) — il re dei parametri)

Il rapporto tra apertura al quadrato e superficie:

\[\lambda = \frac{b^2}{S}\]

È un numero adimensionale che ti dice "quanto è lunga e stretta" l'ala.

Velivolo \(\lambda = b^2/S\)
Eurofighter \(11^2/50 \approx 2{,}4\)
Cessna 172 \(11^2/16{,}2 \approx 7{,}5\)
Boeing 737-800 \(35{,}8^2/124{,}6 \approx 10{,}3\)
ATR 72 \(27^2/61 \approx 12\)
Aliante ASK-21 \(17^2/17{,}9 \approx 16\)
Aliante DG-1000 \(20^2/16{,}7 \approx 24\)

\(\lambda\) è la leva più potente per controllare:

  • Resistenza indotta (\(C_{R,i} \propto 1/\lambda\) — vedi Lezione 3)
  • Efficienza massima (\(E_{max} \propto \sqrt{\lambda}\) — Lezione 4)

🎯 Memo: caccia \(\lambda \approx 2\)–\(4\), aviazione generale 6–9, jet di linea 8–12, alianti 16–30. Più \(\lambda\) → più efficienza, ma più peso strutturale e fragilità → compromessi.

4. Rastremazione (\(\tau\))

Il rapporto tra corda all'estremità (\(c_t\)) e corda alla radice (\(c_r\)):

\[\tau = \frac{c_t}{c_r}\]

Vedi la figura più sotto (Geometrie alari) per il confronto visivo tra ala rettangolare (\(\tau=1\)), trapezoidale (\(\tau\approx 0{,}4\)) e delta (\(\tau \to 0\)).

  • \(\tau = 1\) → ala rettangolare (Cessna 172 — facile da costruire ma non ottimale aerodinamicamente)
  • \(\tau \approx 0{,}3\)–\(0{,}5\) → ala trapezoidale (la più diffusa)
  • \(\tau = 0\) → ala triangolare/delta (Mirage, Concorde — caccia/supersonici)

L'ala ellittica (\(\tau\) variabile) è la migliore aerodinamicamente: distribuzione di portanza ottimale, \(e \approx 1\). Famosa: Spitfire. Ma costosa da produrre.

5. Freccia (sweep, \(\Lambda\))

L'angolo di "all'indietro" del bordo d'attacco rispetto alla perpendicolare alla fusoliera.

Confronto ali con freccia 0°, 25°, 53° (Cessna, Boeing 737, Eurofighter)

Range tipici: Λ = 0° per aviazione generale; Λ ≈ 25-35° per jet di linea (swept wing); Λ ≈ 40-60° per caccia supersonici.

Velivolo Freccia \(\Lambda\)
Cessna 172 \(0°\)
Boeing 737 \(25°\)
Eurofighter \(53°\) (delta a freccia)
Concorde \(\approx 75°\) (delta)

Perché serve la freccia? Per ritardare gli effetti dell'onda d'urto (Mach > 0,7). Una freccia di 30° riduce la velocità "vista" dal profilo lungo la corda → puoi volare più veloce prima di entrare in regime transonico.

6. Diedro

L'angolo tra l'ala e il piano orizzontale, visto frontalmente (cioè guardando l'aereo dal davanti).

Diedro positivo, zero, negativo: confronto visivo

Tipico: +1° a +7° per aerei convenzionali (turismo, jet di linea). Negativo (anhedral) sui caccia ad alte prestazioni come l'F-104, Harrier, AV-8B.

Effetto: quando l'aereo si inclina, l'ala più bassa "vede" più aria → più portanza → tende a riportare l'aereo dritto. Diedro positivo = stabilità laterale.

Aerei militari ad alta manovrabilità hanno spesso anhedral (diedro negativo) per essere meno stabili e più reattivi.


🔢 Carico alare — un parametro quasi geometrico

\[W/S = \text{carico alare} \quad [\text{N/m}^2 \text{ o kg/m}^2]\]

Quanto peso ha un'ala per m² di superficie. Determina la velocità di stallo e quanto l'aereo "regge" al vento:

Velivolo \(W/S\)
Aliante ASK-21 \(\approx 32\) kg/m²
Cessna 172 \(\approx 64\) kg/m²
ATR 72 \(\approx 380\) kg/m²
Boeing 737 \(\approx 580\) kg/m²
Eurofighter \(\approx 320\) kg/m² (basso per agilità)
F-104 Starfighter \(\approx 660\) kg/m² (estremo)

Carico alare basso = stalla a velocità basse (sicurezza, atterraggi corti, alianti). Carico alare alto = velocità di stallo alte ma stabilità in turbolenza, velocità massime alte (jet di linea).


✈️ Geometria di velivoli a confronto

Cessna 172 — geometria "scuola"

Rettangolare (\(\tau = 1\)), \(\lambda = 7{,}5\), freccia 0°, diedro positivo lieve. Costruzione semplice, prestazioni medie ma robuste. Stalla bene, vola tranquillo.

ATR 72 — turboelica regionale

Rastremata moderata (\(\tau \approx 0{,}5\)), \(\lambda = 12\), freccia 0°, ali alte (montate sopra fusoliera). \(\lambda\) alto per efficienza in crociera; ali alte per visibilità a terra dei passeggeri e per evitare aspirazione di pietre.

Boeing 737-800 — jet di linea

Rastremata (\(\tau \approx 0{,}3\)), \(\lambda = 10\), freccia 25° (per Mach 0,78), diedro 6°. Compromesso fra efficienza, velocità, stabilità.

Eurofighter — caccia delta-canard

\(\lambda = 2{,}4\) (basso!), freccia 53°, configurazione delta-canard con piani anteriori. Bassa \(\lambda\) = alta resistenza indotta a bassa V (compensata dalla spinta motori) ma agilità estrema e prestazioni a Mach 2.

ASK-21 — aliante didattico

\(\lambda = 16\), rettangolare nella zona centrale poi rastremata, freccia 0°, diedro 3°. Tutto progettato per E_max massima: \(\lambda\) enorme, ali pulite, niente trascinamento.


🎯 Box "Da ricordare per l'interrogazione"

  1. \(\lambda = b^2/S\) — è la "leva" principale: più \(\lambda\), più efficienza, meno indotta. Memorizzare i range tipici: caccia 2-4, GA 6-9, liner 8-12, aliante 16-30.
  2. Rastremazione \(\tau = c_t/c_r\): 1 = rettangolare, 0 = delta. Ottimo aerodinamicamente è ellittico (\(e \to 1\)).
  3. Freccia \(\Lambda\) = angolo all'indietro del bordo d'attacco. Serve per Mach alti (supersonico richiede \(\Lambda \geq 40°\)).
  4. Diedro = angolo verticale dell'ala. Positivo = stabilità laterale; negativo = agilità.
  5. Carico alare \(W/S\) determina la velocità di stallo: alto \(W/S\) = stalla veloce, vola stabile in turbolenza.
  6. Geometria consegue dalla missione: scuola/turismo \(\neq\) liner \(\neq\) caccia \(\neq\) aliante.

⚠️ Errori comuni

❌ Confondere apertura e corda. Apertura (\(b\)) è la lunghezza tip-a-tip; corda (\(c\)) è la profondità avanti-indietro. \(\lambda = b^2/S\) usa l'apertura. Reynolds \(Re\) usa la corda. Non scambiarle.

❌ Calcolare \(\lambda\) come \(b/S\) invece di \(b^2/S\). Errore aritmetico classico. Memorizza la formula come "apertura al quadrato fratto superficie".

❌ Pensare che freccia = velocità. Un'ala a freccia 25° non rende automaticamente l'aereo supersonico. Serve combinare freccia con motori potenti, profili adatti, struttura adeguata. La freccia da sola ritarda gli effetti compressibili, non li elimina.

❌ Confondere diedro e freccia. Diedro = angolo verticale (vista frontale). Freccia = angolo orizzontale (vista dall'alto). Un caccia tipo F-104 ha diedro negativo (anhedral) ma freccia molto bassa.

❌ Sottovalutare il carico alare. Due aerei con stesso peso ma carico alare diverso si comportano in modo molto diverso: stallano a velocità diverse, virano in modo diverso, sentono la turbolenza in modo diverso. Pilotare un aliante (32 kg/m²) e un Boeing 737 (580 kg/m²) richiede tecniche opposte.


🧠 Domande di autoverifica

  1. Calcola l'allungamento alare di un Airbus A320 (apertura 35,8 m, superficie 122,6 m²).
  2. Tra due alianti identici tranne uno con apertura 17 m e l'altro 25 m (a parità di superficie alare): quale ha efficienza massima maggiore? Di che fattore approssimato?
  3. Perché un caccia ha allungamento basso e un aliante alto?
  4. Una farfalla, secondo la geometria delle sue ali (apertura 10 cm, area 30 cm²), ha allungamento di...?
  5. Un Eurofighter atterra a 80 m/s (un valore alto) mentre un Cessna a 25 m/s. Quale ha carico alare maggiore? Perché?
👉 Risposte
  1. \(\lambda = b^2/S = 35{,}8^2/122{,}6 = 1281{,}6/122{,}6 \approx 10{,}45\). Allungamento ~10,5, tipico per liner moderno (l'A320 è ottimizzato per crociera).

  2. L'aliante con \(b = 25\) m ha \(E_{max}\) maggiore di un fattore \(\sqrt{\lambda_2/\lambda_1} = \sqrt{(25^2)/(17^2)} = 25/17 \approx 1{,}47\). Cioè ~47% in più di efficienza. Per questo i campionati di volo a vela "Open Class" non hanno limiti di apertura — vincono i 25-30 metri.

  3. Caccia vuole bassa resistenza ad alta velocità (parassita domina) e agilità in manovra → ali piccole e rigide → allungamento basso (2-4). Inoltre i caccia spesso volano a \(Re\) alti dove la parassita conta più dell'indotta. Aliante vuole massima efficienza in volo lento (indotta domina) → allungamento alto (16-30). Trade-off: ali fragili, peso strutturale, vincoli di virata.

  4. \(\lambda = (10)^2/30 = 100/30 \approx 3{,}33\). Allungamento ~3,3, simile a un caccia! Ma nel suo regime di Reynolds (laminare, ~\(10^4\)) le regole aerodinamiche sono diverse: a quel \(Re\) l'allungamento alto non aiuta come nei velivoli "macroscopici".

  5. L'Eurofighter ha carico alare maggiore (320 kg/m² vs 64 kg/m² del Cessna). \(V_S = \sqrt{2(W/S)/(\rho C_{p,max})}\): a parità di \(C_{p,max}\), \(V_S \propto \sqrt{W/S}\). Rapporto: \(\sqrt{320/64} = \sqrt{5} \approx 2{,}24\). Quindi \(V_S\) Eurofighter \(\approx 2{,}24 \times V_S\) Cessna ≈ \(2{,}24 \cdot 25 = 56\) m/s. La velocità di approccio è ancora più alta (1,3 × \(V_S\) ≈ 73 m/s ≈ 142 kt), coerente con i 80 m/s indicati.


➡️ Prossimo passo

Vai a Lezione 8 — Momento e centraggio per capire come la posizione del baricentro determina stabilità e controllabilità del velivolo.