Gli scienziati dell'Università di Hiroshima hanno intrapreso uno studio sulle ali delle libellule per comprendere meglio la relazione tra la struttura alare ondulata e i movimenti dei vortici. Hanno scoperto che le ali ondulate mostrano una portanza maggiore rispetto alle ali piatte.
Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Fluids il 7 dicembre 2023.
I ricercatori hanno deciso di determinare se l'ondulazione dell'ala di una libellula è un ingrediente segreto per aumentare la portanza. Mentre la ricerca passata si è concentrata in gran parte sul flusso costante attorno all'ala durante il movimento in avanti, l'impatto dei vortici generati dalla sua struttura ondulata sulla portanza è rimasto un mistero.
Le superfici alari di insetti come libellule, cicale e api non sono piatte come le ali di un aereo passeggeri. Le ali degli insetti sono composte da nervi e membrane e le loro forme in sezione trasversale sono costituite da vertici (nervi) e segmenti di linea (membrane). La geometria della forma appare come una connessione di oggetti con una forma a V o altre forme.
Studi precedenti hanno dimostrato che le ali ondulate, con le loro creste e scanalature, hanno prestazioni aerodinamiche migliori rispetto alle ali lisce a bassi numeri di Reynolds. In aerodinamica, il numero di Reynolds è una quantità che aiuta a prevedere il modello di flusso dei fluidi.
Precedenti studi aerodinamici sulle ali ondulate hanno contribuito ad applicazioni in piccoli robot volanti, droni e mulini a vento. Poiché gli insetti possiedono una bassa forza muscolare, in qualche modo le loro ali ondulate devono fornire loro vantaggi aerodinamici. Tuttavia gli scienziati non hanno compreso appieno il meccanismo in atto a causa della complessa struttura delle ali e delle caratteristiche del flusso.
I ricercatori hanno utilizzato calcoli numerici diretti per analizzare il flusso attorno a un'ala ondulata bidimensionale e hanno confrontato le prestazioni dell'ala ondulata con quelle di un'ala piatta. Hanno concentrato il loro studio sul periodo compreso tra la generazione iniziale del vortice all'avanguardia e le successive interazioni prima del distacco.
Hanno scoperto che le prestazioni dell'ala ondulata erano migliori quando l'angolo di attacco, l'angolo in cui il vento incontra l'ala, era maggiore di 30°.
La struttura irregolare dell'ala ondulata genera una portanza instabile a causa di complesse strutture di flusso e movimenti di vortice. "Abbiamo scoperto un meccanismo di sollevamento potenziato alimentato da una danza unica del flusso d'aria innescata da una struttura ondulata distinta. Può essere un punto di svolta rispetto al semplice scenario dell'ala a piastre", ha affermato Yusuke Fujita, Ph.D. studente presso la Graduate School of Integrated Sciences for Life, Università di Hiroshima.
I ricercatori hanno costruito un modello bidimensionale di un'ala ondulata utilizzando un'ala di libellula reale. Il modello consisteva in strutture ondulate più profonde sul lato del bordo anteriore e strutture meno profonde, o più piatte, sul lato del bordo posteriore.
Utilizzando il loro modello bidimensionale, hanno ulteriormente semplificato il movimento dell'ala e si sono concentrati sulla generazione di portanza instabile mediante traslazione dal punto di riposo. Il movimento di traslazione, o movimento di scorrimento, è una componente principale del movimento dell'ala, oltre al beccheggio e alla rotazione. L'analisi dei ricercatori amplia la comprensione dei meccanismi non stazionari utilizzati dalle libellule durante il volo.
Il gruppo di ricerca ha considerato modelli bidimensionali nel loro studio. Tuttavia, il loro lavoro si è concentrato sull'aerodinamica del volo degli insetti, dove il flusso è tipicamente tridimensionale.
"Se questi risultati vengono estesi a un sistema tridimensionale, ci aspettiamo di acquisire maggiori conoscenze pratiche per comprendere il volo degli insetti e la sua applicazione nel settore", ha affermato Makoto Iima, professore presso la Graduate School of Integrated Sciences for Life, Hiroshima University. .
Guardando al futuro, i ricercatori concentreranno le loro indagini su modelli tridimensionali. "Abbiamo iniziato con un modello bidimensionale di ala ondulata in un'improvvisa esplosione di movimento. Ora ci imbarchiamo nella ricerca per esplorare l'aumento della portanza attraverso una gamma più ampia di forme e movimenti di ali. Il nostro obiettivo finale è creare un nuovo ala di ispirazione biologica con prestazioni elevate grazie al nostro meccanismo di potenziamento della portanza," ha affermato Fujita.
Ulteriori informazioni: Yusuke Fujita et al, Meccanismo di miglioramento della portanza dinamica del modello di ala di libellula mediante interazione vortice-ondulazione, Fluidi di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.123101
Informazioni sul giornale: Fluidi per revisione fisica
Fornito dall'Università di Hiroshima
