Leif Ristroph professore associato presso il Courant Institute of Mathematical Sciences della New York University, è fisico sperimentale, matematico applicato specializzato in fluidodinamica, con particolare enfasi sulle interazioni fluido-struttura applicate ai flussi biologici e geofisici. Il suo lavoro biofisico comprende studi sull’aerodinamica e sulla stabilizzazione del volo degli insetti, nonché sull’idrodinamica del branco e del rilevamento del flusso nei pesci che nuotano. Autore dello studio pubblicato nella rivista Journal of Fluid Mechanics, ha affermato:
«Visto che possiamo far volare complicati aeroplani moderni, si potrebbe pensare che sappiamo tutto quello che c’è da sapere sulle macchine volanti più semplici, ma gli aeroplanini di carta, sebbene semplici da realizzare, implicano un’aerodinamica sorprendentemente complessa».
I ricercatori hanno detto che una serie di esperimenti con aeroplanini di carta ha rivelato nuovi effetti aerodinamici. I risultati hanno migliorato la comprensione della stabilità del volo, potrebbero ispirare nuovi tipi di robot volanti e piccoli droni.
Jane Wang, professore di ingegneria e fisica alla Cornell University, ha detto:
«Rispondere a domande così elementari si è rivelato tutt’altro che un gioco da ragazzi. Abbiamo scoperto che l’aerodinamica di come gli aeroplanini di carta mantengono il volo livellato è davvero molto diversa dalla stabilità degli aeroplani convenzionali. Gli uccelli planano e si librano senza sforzo, gli aeroplanini di carta, se messi a punto correttamente, possono anche planare percorrendo lunghe distanze. Sorprendentemente, non c’è stato un buon modello matematico per prevedere questo volo planato apparentemente semplice ma insidioso».
Il baricentro “giusto”
I ricercatori per iniziare il loro studio hanno considerato ciò che è necessario per un aereo per planare senza problemi. Visto che gli aeroplanini di carta non hanno un motore e si affidano alla gravità e al design appropriato per il loro movimento, sono buoni candidati per esplorare i fattori che stanno alla base della stabilità del volo. I ricercatori per studiare questo fenomeno, hanno condotto esperimenti di laboratorio lanciando in aria aeroplanini di carta settati con diversi baricentri. I risultati, insieme a quelli dello studio delle lastre che cadono in un contenitore d’acqua, hanno permesso al team di ideare un nuovo modello aerodinamico e anche un “simulatore di volo” in grado di prevedere i movimenti.
I ricercatori per trovare l’assetto migliore, hanno messo diverse quantità di nastro di rame sottile sulla parte anteriore degli aereoplanini di carta, dando loro varie posizioni del baricentro. I pesi di piombo aggiunti alle piastre in acqua hanno avuto lo stesso scopo.
Leif Ristroph spiega:
«Il criterio chiave di un aliante di successo è che il baricentro deve essere nel posto giusto. I buoni aeroplanini di carta raggiungono questo obiettivo con il bordo anteriore piegato più volte o con l’aggiunta di una graffetta, ciò richiede un po’ di prove ed errori».
I ricercatori negli esperimenti hanno scoperto che i movimenti di volo dipendevano sensibilmente dalla posizione del baricentro, in particolare se il peso era al centro dell’ala o solo un po’ spostato dal centro, subiva movimenti selvaggi, come svolazzamento e discesa. Il peso se era spostato troppo verso un bordo, allora l’aeroplanino di carta scendeva rapidamente verso il basso e si schiantava, tuttavia nel mezzo c’era un “punto dolce” per il baricentro che dava una stabile planata.
Il “punto dolce” aerodinamico
I ricercatori hanno accoppiato il lavoro sperimentale con un modello matematico che è servito come base di un “simulatore di volo” e un programma per computer che ha riprodotto con successo i diversi movimenti di volo. Ha anche aiutato a spiegare perché un aeroplanino di carta è stabile nella sua planata.
Leif Ristroph ha detto:
«Il baricentro quando si trova nel “punto debole”, la forza aerodinamica sull’ala dell’aereo spinge l’ala indietro se l’aereo si muove verso l’alto e torna indietro se si muove verso il basso. La posizione della forza aerodinamica o del centro di pressione varia con l’angolo di volo in modo tale da garantire la stabilità, questa dinamica non si verifica con le ali dei velivoli convenzionali, sono profili alari, strutture le cui forme lavorano per generare la portanza. L’effetto che abbiamo trovato negli aeroplanini di carta non si verifica per i profili tradizionali utilizzati come ali di aerei, il cui centro di pressione rimane fisso in posizione attraverso gli angoli che si verificano in volo. Lo spostamento del centro di pressione sembra quindi essere una proprietà unica delle ali sottili e piatte, questo finisce per essere il segreto del volo stabile degli aeroplanini di carta. È questo il motivo per cui gli aeroplani hanno bisogno di un’ala di coda separata come stabilizzatore, mentre un aeroplanino di carta può cavarsela solo con un’ala principale che dà sia portanza sia stabilità. Speriamo che le nostre scoperte saranno utili nelle applicazioni di volo su piccola scala, dove si può desiderare un design minimo che non richieda molte superfici di volo extra, sensori e controllori».
