Le ali dei piccoli aeroplani, i quali volano a basse velocità, sono in genere ortogonali alla fusoliera, una configurazione che offre la migliore efficienza. Sui grandi aerei di linea, o sui veloci aviogetti militari, d'altra parte, le ali sono spesso configurate a freccia; alcuni aviogetti militari possono addirittura variare l'orientamento delle ali -- ortogonali per la migliore efficienza al decollo e all'atterraggio, e orientate a freccia per il volo prossimo alla velocità del suono.
Alla velocità del suono, la resistenza dell'aria ("attrito atmosferico") aumenta fortemente, poiché l'aria non riesce a togliersi in tempo dal muso del velivolo, per cui viene compressa e riscaldata. Il calore è una forma di energia, e per produrla qualcos'altro deve cedere la sua energia -- in questo caso, è il moto, che così causa un crescente attrito; la "portanza" delle ali quindi ne soffre. In effetti, questi problemi cominciano parecchio prima che venga raggiunta la velocità del suono, poiché una parte del flusso d'aria al di sopra delle ali ha una velocità più alta e può quindi raggiungere la velocità del suono prima che sia l'aeroplano a raggiungerla.
Però si può un po' "giocare d'astuzia" piegando le ali all'indietro, di un certo angolo s. In questo modo, anche se l'aria colpisce l'aeroplano con velocità v, il vettore velocità può essere scomposto in due componenti perpendicolari tra loro -- una velocità del flusso v sin s diretta lungo l'ala, e una velocità del flusso v cos s diretta perpendicolarmente ad essa. Entrambe queste componenti sono minori di v, poiché entrambi (sin s) e (cos s) sono sempre minori di 1.
Le eliche di un aeroplano funzionano come delle piccole ali rotanti, il cui effetto è quello di "tirare" l'aereo in avanti (questa forza di trazione è nota come spinta). Probabilmente il maggior vantaggio ottenuto dai fratelli Wright dalla loro galleria del vento non è stato quello del progetto delle ali (un progetto grossolano, limitato dalla tecnologia disponibile), ma del progetto delle eliche, che erano il doppio più efficienti delle altre eliche del loro tempo.
Di nuovo, è più conveniente considerare l'elica statica e considerare invece l'aria in moto. Possiamo anche ignorare il fatto che l'elica si muova circolarmente, considerando soltanto un piccolo segmento di quel moto circolare, lungo il quale il moto si svolge quasi in linea retta.
(Va notato tuttavia che ogni parte della pala dell'elica si muove a una diversa velocità. Occorre suddividere l'elica in sezioni, ciascuna a una diversa distanza dall'asse centrale, e poi studiare separatamente le forze su ciascuna sezione. Qui ci concentreremo sulle sezioni terminali delle pale, la cui velocità v1 è la più alta e che quindi generano la spinta maggiore).
Ciò che complica la situazione è il fatto che anche l'aeroplano stesso si muove. Anche in questo caso, il fenomeno può essere studiato nel sistema di riferimento dell'aeroplano, che vede l'aria arrivargli contro con una velocità v2. Nel sistema di riferimento della punta della pala dell'elica (ved. il disegno), l'aria vi arriva contro con una velocità costituita da due componenti perpendicolari tra loro, v1 dovuta al suo moto e v2 dovuta al moto in avanti dell'aeroplano.
Consideriamo l'azione dell'elica prima che l'aeroplano cominci a muoversi (v2=0). La forza L sulla pala dell'elica, che fornisce la spinta all'aeroplano, è perpendicolare al moto delle pala (o quasi perpendicolare), e tira l'aereo in avanti, come è richiesto.
Ora supponiamo che l'aereo voli a una velocità moderata v2. L'elica non percepisce più una velocità frontale v1, ma una velocità v che colpisce la pala a un angolo inclinato rispetto alla direzione frontale (ved. disegno superiore). Questo non era un problema grave per i primi aerei, poiché la loro velocità era piuttosto bassa. Per tali aerei v2 era sempre molto più piccola di v1, e un'elica in legno o in metallo, con le pale leggermente inclinate per adattarsi a v alla normale velocità di crociera dell'aereo (o un po' più inclinate, per fornire un piccolo angolo di attacco), funzionavano altrettanto bene anche a velocità diverse. Molti piccoli aeroplani, ancora al giorno d'oggi, usano questo tipo di eliche.
Gli aeroplani più veloci, tuttavia, hanno bisogno di eliche con le pale orientabili, in grado di aumentare l'angolo ("passo") a cui esse "mordono" l'aria all'aumentare della velocità, in modo che siano sempre orientate frontalmente rispetto alla velocità combinata v dovuta al loro moto e a quello dell'aeroplano. Non si può ottenere una compensazione aumentando la velocità di rotazione v1 dell'elica, poiché se la punta delle pale raggiunge la velocità del suono, l'efficienza dell'elica cala bruscamente (e il rumore prodotto aumenta!).
Le pale orientabili ("eliche a passo variabile"), più costose e più complicate delle eliche tutte d'un pezzo, sono ormai da tempo una dotazione comune degli aerei ad elica più veloci. Ma anche in questo modo c'è un limite. Supponiamo che l'aeroplano si muova alla stessa velocità della punta dell'elica, cioè v2 = v1. In tal caso la punta della pala dell'elica deve essere orientata di 45 gradi verso la direzione del moto (ved. disegno inferiore). Diventa allora evidente una tendenza destabilizzatrice.
Prima di tutto, come si è visto dal "triangolo per la somma di vettori" e dal teorema di Pitagora, la velocità totale v percepita dalla pale dell'elica è notevolmente più alta (di circa il 41%) di entrambe le due componenti della velocità, per cui ci si avvicina ancora di più alla velocità del suono e ai problemi connessi. E inoltre, come seconda cosa, la forza di sostentamento L sulla pala è anch'essa ruotata di 45 gradi! Pertanto solo la componente L1 tira in avanti l'aeroplano, mentre l'altra componente, L2, in effetti si oppone alla rotazione dell'elica e richiede una maggior potenza al motore, potenza che non è utilizzata in alcun modo utile.
Aerei ad ali basculanti
Un ingegnere della NASA, Robert T. Jones, ha fatto degli esperimenti con un'idea simile -- un'ala piegata in avanti e l'altra piegata all'indietro. Quest'ala può venire adattata all'aereo mediante un asse girevole. Al decollo e all'atterraggio, l'ala è perpendicolare alla fusoliera, funziona alla massima efficienza e dà all'aereo l'aspetto convenzionale. Successivamente, alla quota di crociera, quando l'aeroplano guadagna velocità, l'ala viene fatta ruotare attorno all'asse girevole, in modo che una estremità sia piegata in avanti e l'altra all'indietro. Funzionerà?
Ogni oggetto immerso in fluido (per esempio in aria o in acqua) è soggetto a una pressione su tutte le sue superfici, una forza su ciacuna unità di area dovuta al peso dell'aria o dell'acqua che si trova al di sopra (anche se alcune superfici sono orientate verso il basso o lateralmente). In assenza di moto -- per esempio, quando l'aeroplano sta fermo sulla pista -- un'ala è soggetta a una pressione uguale sia sul lato superiore che sul lato inferiore, e quindi non tende a muoversi né verso l'alto né verso il basso.
