Nel 1934, l’entomologo francese Antoine Magnan scrisse che i bombi "non dovrebbero essere in grado di volare", poiché le loro piccole ali non sarebbero teoricamente in grado di generare una portanza sufficiente. È stata necessaria la moderna tecnologia delle telecamere ultraveloci per scoprire cosa permette a questi insetti di volare: un "vortice del bordo d’attacco". Il flusso d’aria intorno al bordo d’attacco - la parte anteriore - delle ali che sbattono si arriccia in un vortice, creando un’area di bassa pressione che aumenta la portanza.
I pipistrelli, dotati di ali flessibili e membranose, sono in grado di volare come gli insetti, se non in modo più efficiente. Infatti, alcuni pipistrelli utilizzano fino al 40% di energia in meno rispetto alle farfalle delle stesse dimensioni. Un team del Laboratorio di diagnostica del flusso stazionario (UNFOLD) della Facoltà di Scienze e tecniche ingegneristiche dell’EPFL ha studiato il potenziale aerodinamico di ali più flessibili. Hanno utilizzato una piattaforma sperimentale dotata di una membrana altamente deformabile realizzata con un polimero a base di silicone. Gli scienziati hanno scoperto che, invece di creare un vortice, l’aria scorre dolcemente sulle ali curve, generando una maggiore portanza e rendendole ancora più efficienti rispetto alle ali rigide delle stesse dimensioni.
"La conclusione principale di questo lavoro è che il guadagno di portanza osservato non deriva da un vortice del bordo d’attacco, ma dal flusso che segue la curvatura regolare dell’ala a membrana", afferma Alexander Gehrke, ex dottorando all’EPFL, ora ricercatore alla Brown University. "Non solo l’ala deve essere curva, ma deve essere curvata al punto giusto, perché un’ala troppo flessibile ha prestazioni inferiori". È l’autore principale di un articolo che descrive questo lavoro pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences.
Una migliore comprensione degli uccelli
I ricercatori hanno montato la membrana flessibile su un telaio rigido, i cui bordi ruotano attorno ai loro assi. Per visualizzare meglio il flusso intorno all’ala, hanno immerso il dispositivo in acqua mescolata a particelle traccianti di polistirene."Attraverso i nostri esperimenti, siamo stati in grado di modificare indirettamente gli angoli di attacco e di uscita dell’ala, permettendoci di osservare il loro allineamento con il flusso", spiega Karen Mulleners, responsabile del laboratorio UNFOLD. "Grazie alla deformazione della membrana, il flusso non è stato costretto a formare un vortice, ma ha seguito naturalmente la curvatura dell’ala senza separarsi, generando una maggiore portanza".
Per Alexander Gehrke, questi risultati potrebbero rivelarsi preziosi per biologi e ingegneri. "Sappiamo che i pipistrelli si librano e che hanno ali membranose deformabili. Come la deformazione delle ali influisca sulle prestazioni di volo è una domanda importante, ma sperimentare su animali vivi non è banale. Utilizzando una struttura semplificata bio-ispirata, possiamo imparare di più sugli uccelli e su come costruire dispositivi di volo più efficienti".
Un vantaggio per le turbine eoliche
Alexander Gehrke spiega che, riducendo le dimensioni dei droni, essi risentono maggiormente dei piccoli disturbi aerodinamici e delle raffiche instabili rispetto a velivoli più grandi come gli aerei. I droni standard a quattro rotori smettono di funzionare su scala molto piccola. Una soluzione potrebbe quindi essere quella di utilizzare gli stessi movimenti alari degli animali per costruire versioni migliorate di questi oggetti volanti, in modo che possano planare e trasportare un carico utile in modo più efficiente.Le scoperte del team potrebbero essere utilizzate anche per migliorare le tecnologie energetiche esistenti, come le turbine eoliche, o per commercializzare sistemi emergenti, come i recuperatori di marea che sfruttano passivamente l’energia delle correnti oceaniche. I progressi nella tecnologia dei sensori e del controllo, potenzialmente combinati con l’intelligenza artificiale, potrebbero consentire il controllo preciso necessario per regolare la deformazione delle ali flessibili a membrana e adattare le prestazioni di questi droni durante le condizioni meteorologiche variabili o le missioni di volo.
