Perché l'elasticità è la chiave per il volo svolazzante?

Sbatti le braccia per un po' e noterai presto che il ciclo costante di accelerazione e decelerazione richiede e persino spreca enormi quantità di energia. Eppure, per gli uccelli, il battito delle ali è un mezzo di propulsione altamente efficiente. Una domanda che ancora imbarazza gli aerodinamici è come gli uccelli siano in grado di ridurre al minimo i costi energetici coinvolti nel volo generando forze aerodinamiche utili.

Gli ingegneri hanno capito da tempo che l'elasticità di un'ala che sbatte è parte della risposta, ma hanno poco più di argomenti che agitano la mano per spiegare il perché. Il pensiero è che l'ala immagazzina energia potenziale elastica mentre si piega e successivamente la rilascia in una parte favorevole del ciclo di sbattimento. Ma l'assenza di buone prove sperimentali per quantificare questo processo significa che la comprensione è ancora approssimativa.

Un problema è la difficoltà di studiare la complessa interazione tra le macchine per sbattere le ali e l'aria. Vari esperimenti hanno misurato le forze che un'ala subisce mentre sbatte nel flusso d'aria generato in una galleria del vento. Ma questa è una situazione altamente artificiale in cui il movimento dell'aria è completamente separato dal movimento dell'ala. Sembra chiaro che nel volo reale la natura dell'interazione tra l'ala e l'aria sia cruciale, eppure nessuno l'ha indagata in dettaglio.

Fino ad oggi. Benjamin Thiria e Ramiro Godoy-Diana dell'Università Denis Diderot di Parigi hanno costruito un'ala battente semovente e hanno studiato le forze in azione mentre si muove nell'aria e come questo deforma l'ala, che è attaccata a una giostra così gira in tondo mentre sbatte (vedi sopra).

I risultati forniscono una visione importante della meccanica del volo svolazzante. Dicono: l'effetto della flessibilità delle ali sull'efficienza dei volantini che svolazzano può essere pensato come un processo in due fasi: un problema di meccanica solida, in cui l'equilibrio tra le forze inerziali ed elastiche determina la forma istantanea delle ali flessibili, seguito da un problema di fluidodinamica, dove le condizioni al contorno fissate dal passaggio precedente governano la distribuzione delle forze aerodinamiche.

Di conseguenza, il rapporto tra le forze d'inerzia che deformano l'anta e le forze elastiche che ne ripristinano la forma è un parametro strutturale importante. Chiamano questo rapporto il numero elasto-inerziale.

Comprendere questo rapporto, che può cambiare in diverse parti di un'ala, potrebbe rivelarsi una parte cruciale del puzzle per gli ingegneri che tentano di progettare e costruire migliori velivoli svolazzanti: il punto da tenere a mente è che la flessibilità delle ali è importante.

Ha anche importanti implicazioni per l'efficienza del volo. Thiria e Godoy-Diana dicono: Le nostre misurazioni mostrano che la natura elastica delle ali può portare non solo ad una sostanziale riduzione della potenza consumata, ma anche ad un incremento della forza propulsiva. Il che conferma finalmente i sospetti degli ingegneri sull'immagazzinamento e il rilascio di energia elastica.

Rif: arxiv.org/abs/1002.4890 : Piegarsi per volare

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