Le migliori forme delle ali, come quello mostrato sopra, si trovano a creare forti vortici sul bordo di uscita che non sono stati interferiti dai vortici generati sul bordo di entrata. Nella foto è tratto da un esperimento che rivela le forme ideali del profilo alare per il volo svolazzante, con i flussi generati nella parte anteriore dell'ala [rosso] e nella parte posteriore [verde] visualizzati utilizzando coloranti fluorescenti. Credito:Laboratorio di matematica applicata, Courant Institute of Mathematical Sciences della NYU
Un team di matematici ha determinato la forma dell'ala ideale per il volo veloce, una scoperta che promette metodi migliori per raccogliere energia dall'acqua e per aumentare la velocità dell'aria.
Il lavoro, che appare sul giornale Atti della Royal Society A , si basa su una tecnica che imita la biologia evolutiva per accertare quale struttura produce il ritmo migliore.
"Possiamo simulare l'evoluzione biologica in laboratorio generando una popolazione di ali di forme diverse, farli competere per raggiungere qualche obiettivo desiderato, in questo caso, velocità, e poi avere le migliori ali 'razzate' per creare forme correlate che fanno ancora meglio, "dice Leif Ristroph, un assistente professore al Courant Institute of Mathematical Sciences della New York University e autore senior del documento.
Nell'effettuare queste determinazioni, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti nell'Applied Math Lab della NYU. Qui, hanno creato ali stampate in 3D che vengono sbattute meccanicamente e corrono l'una contro l'altra, con i vincitori che "si riproducono" tramite un algoritmo evolutivo o genetico per creare volantini sempre più veloci.
Per imitare questo processo di allevamento, i ricercatori hanno iniziato l'esperimento con 10 diverse forme di ali le cui velocità di propulsione sono state misurate. L'algoritmo ha quindi selezionato le coppie delle ali più veloci ("genitori") e ha combinato i loro attributi per creare "figlie" ancora più veloci che sono state poi stampate e testate in 3D. Hanno ripetuto questo processo per creare 15 generazioni di ali, con ogni generazione che produce prole più velocemente della precedente.
"Questo processo di 'sopravvivenza del più veloce' scopre automaticamente un'ala a forma di lacrima più veloce che manipola in modo più efficace i flussi per generare spinta, " spiega Ristroph. "Inoltre, perché abbiamo esplorato una grande varietà di forme nel nostro studio, siamo stati anche in grado di identificare esattamente quali aspetti dello shape erano maggiormente responsabili delle ottime prestazioni delle vele più veloci."
I loro risultati hanno mostrato che la forma dell'ala più veloce ha un bordo d'uscita sottile come un rasoio, che aiuta a generare forti vortici o flussi vorticosi durante lo sbattimento. L'ala lascia una scia di questi vortici mentre spinge via il fluido per spingersi in avanti.
"Consideriamo il lavoro come un caso di studio e una prova di concetto per una classe molto più ampia di problemi ingegneristici complessi, specialmente quelli che coinvolgono oggetti nei flussi, come snellire la forma per ridurre al minimo la resistenza su una struttura, " osserva Ristroph. "Pensiamo che questo potrebbe essere usato, Per esempio, per ottimizzare la forma di una struttura per raccogliere l'energia nelle onde d'acqua."