Flussi intorno a profili alari

I sistemi progettati per elevarsi in un mezzo fluido (come i profili alari di aerei o aliscafi, o, in generale, le ali) devono poter ricevere una forza relativamente grande normale al flusso e una forza di drag quanto più piccola possibile.

Se in un profilo alare la linea che congiunge il punto più avanzato con quello più arretrato, detta corda, non è di simmetria, il profilo si dice curvato. La linea di curvatura (linea di camber) è la linea intermedia tra le superfici superiore e inferiore dell’ala. L’angolo tra il flusso e la corda è detto angolo di attacco. Le forze di lift L e di drag D variano in funzione del valore di questo angolo. La testa arrotondata dei profili alari previene il distacco del flusso in testa, mentre il bordo di uscita affilato provoca una separazione dello stesso che genera la forza di lift. A bassi angoli di attacco, la superficie posteriore dell’ala è caratterizzata da un gradiente avverso di pressione, tuttavia non sufficiente a causare un significativo distacco dello strato limite.

Con angoli di attacco maggiori, il gradiente avverso di pressione sulla superficie superiore dell’ala aumenta e generalmente sulla superficie superiore dell’ala si nota una zona di distacco di bolle che tende ad avanzare verso monte. A un certo angolo di attacco, 15 to 20°, il flusso si separa completamente dalla superficie superiore. Si dice che l’ala è in stallo: la forza di lift si reduce sensibilmente, la forza di drag aumenta sensibilmente e l’ala non è più pilotabile.

I primi profili alari erano sottili e modellati a guisa di ali di uccello. L’ingegnere tedesco Otto Lilienthal (1848–1896) condusse degli esperimenti utilizzando delle piastre piane e curve su un braccio rotante. Egli e suo fratello Gustav furono i primi al mondo a volare in un aliante nel 1891. Horatio Frederick Phillips (1845–1912) costruì la prima galleria del vento nel 1884 e misurò le forze di lift e drag su ali curve. Subito dopo Frederick W. Lanchester propose la prima teoria sulle forze di lift. La moderna teoria sui profili alari risale al 1905, quando il fluidomeccanico russo N. E. Joukowsky (1847–1921) sviluppò un teorema sulla circuitazione per calcolare la forza di lift su ali di qualsivoglia camber e spessore. Con questa teoria di base, successivamente estesa e sviluppata da Prandtl, Kármán e dai loro allievi, è oggi possibile progettare ali per basse velocità con particolari distribuzioni di pressioni e caratteristiche di strati limite. Attualmente si hanno a disposizione intere famiglie di progetti di ali e, in particolar modo, si ricordano quelle sviluppate negli Stati Uniti e finanziate dalla NACA (oggi nota come NASA).