Per costruire macchine più aerodinamiche, i ricercatori traggono ispirazione da una fonte improbabile:l'oceano.

Un team di biologi e ingegneri evoluzionisti dell'Università di Harvard, in collaborazione con i colleghi della University of South Carolina, hanno fatto luce su un mistero vecchio di decenni sulla pelle di squalo e, nel processo, dimostrato un nuovo, struttura bioispirata che potrebbe migliorare le prestazioni aerodinamiche degli aerei, turbine eoliche, droni e auto.

La ricerca è pubblicata su Journal of the Royal Society Interface .

Gli squali e gli aeroplani non sono poi così diversi. Entrambi sono progettati per muoversi in modo efficiente attraverso il fluido (acqua e aria), usando la forma dei loro corpi per generare portanza e diminuire la resistenza. La differenza è, gli squali hanno un vantaggio di circa 400 milioni di anni nel processo di progettazione.

"La pelle degli squali è ricoperta da migliaia e migliaia di piccole squame, o dentelli, che variano per forma e dimensione intorno al corpo, " disse George Lauder, l'Henry Bryant Bigelow Professore di Ittiologia e Professore di Biologia presso il Dipartimento di Biologia Organismica ed Evoluzionistica, e coautore della ricerca. "Sappiamo molto sulla struttura di questi denticoli, che sono molto simili ai denti umani, ma la funzione è stata discussa".

La maggior parte delle ricerche si è concentrata sulle proprietà di riduzione della resistenza dei denticoli, ma Lauder e il suo team si sono chiesti se ci fosse dell'altro nella storia.

"Noi abbiamo chiesto, e se invece di ridurre principalmente la resistenza, queste forme particolari erano in realtà più adatte per aumentare la portanza, " ha detto Mehdi Saadat, un borsista post-dottorato ad Harvard e co-primo autore dello studio. Saadat ha un incarico congiunto in Ingegneria Meccanica presso l'Università della Carolina del Sud.

Per aiutare a verificare tale ipotesi, i ricercatori hanno collaborato con un team di ingegneri della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Per ispirazione, si rivolsero al mako shortfin, lo squalo più veloce del mondo. I denticoli del mako hanno tre creste rialzate, come un tridente. Utilizzando la scansione micro-TC, il team ha ripreso e modellato i dentelli in tre dimensioni. Prossimo, hanno stampato in 3D le forme sulla superficie di un'ala con una sezione aerodinamica curva, noto come profilo alare.

"I profili alari sono un componente primario di tutti i dispositivi aerei, " disse August Domel, un dottorato di ricerca studente ad Harvard e co-primo autore dell'articolo. "Volevamo testare queste strutture su profili alari come un modo per misurare il loro effetto su portanza e resistenza per applicazioni nella progettazione di vari dispositivi aerei come droni, aeroplani, e turbine eoliche".

I ricercatori hanno testato 20 diverse configurazioni di dimensioni dei denticoli, file e posizioni delle file su profili alari all'interno di un serbatoio di flusso d'acqua. Hanno scoperto che oltre a ridurre la resistenza, le strutture a forma di dentello aumentavano significativamente la portanza, agendo come ad alta potenza, generatori di vortici a basso profilo.

Anche se non sai cos'è un generatore di vortice, ne hai visto uno in azione. Auto e aerei sono dotati di questi piccoli, dispositivi passivi progettati per alterare il flusso d'aria sulla superficie di un oggetto in movimento per renderlo più aerodinamico. La maggior parte dei generatori di vortice oggi sul campo ha un semplice, design a lama.

"Questi generatori di vortice ispirati agli squali ottengono miglioramenti del rapporto tra portanza e resistenza fino al 323 percento rispetto a un profilo alare senza generatori di vortice, " ha detto Domel. "Con queste prove di concept design, abbiamo dimostrato che questi generatori di vortici bioispirati hanno il potenziale per superare i progetti tradizionali".

"Puoi immaginare che questi generatori di vortice vengano utilizzati su turbine eoliche o droni per aumentare l'efficienza delle pale, "ha detto Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professore di Meccanica Applicata presso SEAS e coautore dello studio. "I risultati aprono nuove strade per migliorare, design aerodinamici bioispirati."

"Questa ricerca non solo delinea una nuova forma per i generatori di vortici, ma fornisce anche informazioni sul ruolo dei dentelli di squalo complessi e potenzialmente multifunzionali, " disse Lauder.