Frontiere della conoscenza a distanza di 500 anni: il volo degli uccelli e il volo ipersonico
Pietro De Palma, Politecnico di Bari
Il contributo di Leonardo da Vinci in molti settori della scienza e dell’arte è anche dovuto al suo talento di osservatore della natura e alla capacità, molto rara per l’epoca in cui ha vissuto, di andare oltre la descrizione dei fenomeni cercando di cogliere i principi fondamentali che li governano.
Il tema del volo ha ricevuto un’attenzione particolare da parte del genio toscano. Egli ha anticipato nei suoi codici (in particolare: il “Codice Atlantico”; il “Codice sul volo degli uccelli”, il “Codice Leicester”) alcune intuizioni che hanno trovato la loro formalizzazione matematica diversi secoli dopo, ponendosi così sulla frontiera della conoscenza.
Per limitare la discussione farò riferimento a tre precisi ambiti di studio legati al volo, ancora oggi di grande attualità per lo sviluppo delle moderne tecnologie di volo: 1) la dinamica dei fluidi; 2) la combustione; 3) l’interazione tra fluido e struttura.
Le osservazioni di Leonardo sulla dinamica dei fluidi, pervenute a noi attraverso i suoi scritti e i suoi disegni, hanno anticipato, sia pur in maniera qualitativa, le moderne teorie sulla turbolenza basate sul concetto della “cascata dei vortici”, formalizzato agli inizi del novecento.
Le sue osservazioni sul fenomeno della combustione di una candela hanno rivelato per la prima volta la dinamica del moto dell’aria e dei fumi attraverso un ingegnoso esperimento di visualizzazione che può essere considerato il precursore delle moderne tecniche di flow visualization. Infine, la dettagliata osservazione del volo degli uccelli gli ha permesso di superare l’errata interpretazione aristotelica del volo basata sul principio di galleggiamento. Infatti, egli ha compreso che l’interazione dinamica tra l’ala (avente una forma opportuna) e l’aria genera una forza che sostiene il volatile; per fare questo, Leonardo anticipa il concetto di gravità e il terzo principio della dinamica, che saranno formalizzati due secoli dopo da Newton.
I tre ambiti di studio che ho citato sono ancora oggi sulla frontiera della conoscenza per diversi aspetti anche legati allo sviluppo delle moderne tecnologie di volo. Nell’ambito della dinamica dei fluidi, risulta tuttora incompleta la teoria della dinamica della turbolenza e, in particolare, della transizione del moto dei fluidi dallo stato laminare allo stato turbolento.
Questo aspetto della dinamica dei fluidi ha notevole impatto in innumerevoli applicazioni ingegneristiche. Volendo rimanere nell’ambito del volo, un esempio, tanto triste quanto eclatante, è costituito dall’incidente della navetta shuttle Columbia avvenuto nel 2003, molto probabilmente innescato da una transizione asimmetrica dello strato limite sotto le ali del velivolo.
Per quanto riguarda la combustione, lo sviluppo del volo ad alta velocità è legato alla comprensione e realizzazione della combustione supersonica, fondamentale per il funzionamento del motore scramjet ideato per spingere i velivoli fino a velocità pari a 5-10 volte la velocità del suono (volo ipersonico). Mantenere stabile una combustione in una corrente supersonica è stato paragonato a “mantenere accesa una fiamma in un uragano” per spiegare con una semplice metafora la difficoltà di realizzare tale sistema di propulsione.
Nel 2013, il velivolo sperimentale Boeing X51-A, equipaggiato con questo tipo di propulsore, ha volato per alcuni minuti segnando l’attuale frontiera della conoscenza in questo campo. Quel velivolo rappresenta anche una soluzione innovativa e originale dal punto di vista aerodinamico per la sua particolare forma geometrica.
La sua capacità di sostenersi in volo a velocità così elevate, sfruttando complessi fenomeni di interazione tra fluido e struttura, è stata sintetizzata in un nome particolarmente affascinante: waveraider.
Questo tipo di velivoli potrebbe essere impiegato per ridurre la durata delle connessioni intercontinentali ad una/due ore e per ottenere un collegamento veloce, flessibile e a basso costo con l’orbita bassa terrestre, proiettando l’uomo verso la colonizzazione dello spazio e avanzando nel percorso dell’evoluzione del volo iniziato da Leonardo.