By La fisica dietro il volo
Il volo è qualcosa di assolutamente coinvolgente ma credo che conoscere la fisica che si nasconde dietro questo connubio di scienze possa aggiungere ulteriori emozioni!
Preambolo
Lo so cosa state pensando: ecco la solita lezioncina di fisica nascosta da belle parole. Eppure, vi potreste sbagliare! Perché oggi vorrei farvi immergere in un’atmosfera il più romantica possibile dove diverse scienze si fondono l’una con l’altra in modo armonico. Stento a credere che ci sia stato un uomo o una donna che non abbia alzato gli occhi al cielo almeno una volta invidiando le eleganti figure scure volteggiare in aria contro luce. Leonardo Da Vinci (Anchiano, 15 aprile 1452 – Amboise, 2 maggio 1519), tra i più grandi osservatori e sognatori del suo tempo, non si limitò ad una semplice e fugace occhiata ma fece del volo un connubio perfetto tra anatomia animale e meccanica. Eppure, nonostante Leonardo credesse fermamente nella possibilità di far volare l’uomo, influenzato dalla profonda analogia che vedeva in ogni essere vivente, nessuna delle sue macchine portò mai in alto una persona. Tuttavia, per tutti noi rimangono d’ispirazione ognuna delle sue bozze, dei suoi progetti, delle sue idee, delle sue osservazioni e dei suoi disegni che sappiamo essere di inestimabile valore.
Figura 2: Riproduzione di uno dei progetti di Leonardo da Vinci sulle ali meccaniche.
Premesse
Per conoscere i fondamentali adattamenti anatomici che caratterizzano gli uccelli, vi invito prima a leggere questo articolo dove sono presenti molte immagini esplicative.
Figura 3: Rondine (Hirundo rustica Linnaeus, 1758) che fende l’aria a grande velocità con le sue corte ali appuntite.
Ciò che riassumeremo in questo articolo sarà, invece, è uno dei più importanti fenomeni della fisica che si nasconde dietro al volo: la portanza.
L’aria è un fluido molto rarefatto e, come ogni fluido, avvolge gli oggetti adeguandosi perfettamente alle loro forme. Ciò che avviene attorno ad un oggetto in movimento è meno semplice da immaginare ma possiamo schematizzarlo così:
Figura 4: Linee di flusso laminare con relativa differenza di pressione.
L’aria scorre lungo un’ala seguendo un percorso obbligato dalla sua forma. L’ala di un aereo, come quella di un uccello, presenta le due superfici leggermente diverse che portano il fluido a scorrere a velocità differenti sui due lati. In particolare, sulla superficie superiore dell’ala, l’aria avrà una maggior velocità rispetto all’aria sottostante. Si genera così una differenza di pressione tra il sopra e sotto dell’ala. Questa differenza, dovuta alle diverse velocità dei due flussi spezzati dal fronte dell’ala, sta alla base del fenomeno che chiamiamo “portanza”. Ciò comporterà una spinta verso l’alto che permetterà il mantenimento del volo (per i diversi tipi di volo vedi dopo).
Figura 5: Simulazione della velocità del flusso d’aria differente sulle superfici superiori e inferiori di un’ala.
Figura 6: Le principali forze in gioco che agisco su un’ala.
La fisica del decollo
Abbiamo visto sopra una situazione piuttosto semplice che rispecchia sufficientemente bene la realtà. Quello che si complica è la fase di decollo da terra o in acqua! Perché molti uccelli planatori sfruttano l’altezza e la gravità per generare senza sforzo quel poco che serve per ottenere la giusta portanza e riprendere quota, ma chi parte da zero? Quando un uccello inizia a sbattere le ali genera dei vortici d’aria circolari attorno al corpo. Tali flussi d’aria uscenti andranno verso il basso provocando una spinta uguale ma contraria (terza legge di Newton). Del perché gli risulti così “facile” alzarsi in volo lo troverete sufficientemente spiegato in questo articolo.
Figura 7: Folaga comune (Fulica atra Linnaeus, 1758) in fase di decollo. Fotografia scattata al Centro Habitat Mediterraneo (CHM Lipu Ostia), RM.
Tipi di volo
Le ali possono essere lunghe e appuntite, brevi e arrotondate, fortemente convesse o quasi piatte, ampie o strette, fessurate o prive di fessure sulla punta. Capite da soli che non sono poche le combinazioni che la selezione naturale ho portato avanti in base alle forze trainanti in gioco: alimentazione, ambiente, migrazioni, ecc. Possiamo però schematizzare quattro fondamentali tipi di volo:
- Volo battente, condotto quasi esclusivamente grazie allo sforzo dei muscoli pettorali (esempio i passeriformi).
Figura 8: Cornacchia grigia (Corvus cornix Linnaeus, 1758) con il suo tipico volo battuto.
- Volo planato, condotto quasi esclusivamente sfruttando il vento (esempio i grandi uccelli marini come le berte, gli albatri o i gabbiani).
Figura 9: Gabbiano reale (Larus michahellis Naumann, 1840) mentre plana a bassa.
- Volo librato, portato avanti sfruttando le correnti d’aria calda ascensionali (esempio come i condor o gli avvoltoi).
- Volo stazionario, possibile grazie ai ripetuti battiti d’ali e al posizionamento del corpo ad angolo che portano gli animali a mantenere una posizione precisa (esempio come alcuni falchi, quali il gheppio).
Figura 10: Cormorano (Phalacrocorax carbo (Linnaeus, 1758)) fotografato al Centro Habitat Mediterraneo (CHM Lipu Ostia), RM. Il volo in prossimità della superficie dell’acqua è un trucchetto che gli uccelli acquatici imparano a sfruttare a loro vantaggio dal momento che genera grande portanza, riducendone lo sforzo.
Ora che abbiamo scoperto qualche piccolo segreto della fisica dietro il volo, eccovi un video per meravigliarvi un po’ con l’effetto “slow motion”.
Fonti e maggiori informazioni:
“Le Macchine di Leonardo. Segreti e invenzioni nei Codici Da Vinci” – Mario Taddei, Edoardo Zanon e Domenico Laurenza. Giunti Editore, 2005.
“Anatomia comparata dei Vertebrati – una visione funzionale ed evolutiva” di Liem, Bemis, Walker e Grande. EdiSES, seconda edizione.
Catalogo multimediale del Centro Museale delle Scienze Naturali. Università degli Studi di Napoli Federico II.
Fotografie naturalistiche di Matteo Garzia
