L'intelligenza dell'elica (10+1 curiosità)
La tua dose settimanale di cultura generale! || Edizione del 140° giovedì || 5 min. di lettura
Dietro le eliche e le turbine c’è la stessa idea: una pala che interagisce con un fluido per muovere navi, aerei e droni… e utilizzata al contrario, raccogliere energia dall’acqua e dal vento. Oggi guardiamo le sue metamorfosi, tra curiosità sorprendenti e numeri che restano in testa.
🍷 Che storia!
L’aneddoto della settimana.
Perché le pale di un’elica sono quasi sempre tre?
Guardando un parco eolico o un motore fuoribordo, la domanda è naturale: perché proprio tre? Non è un vezzo di design, né una coincidenza.
Una sola pala sarebbe il sogno degli ingegneri: è la più efficiente dal punto di vista teorico, perché non subisce la turbolenza delle altre pale. Purtroppo, nella realtà è un incubo per lo squilibrio dinamico. Su un generatore eolico farebbe vibrare l’intera struttura fino a distruggerla.
L’elica monopala esiste in alcuni alianti e funziona con un piccolo contrappeso. Così occupa meno spazio è può essere ritratta nella fusoliera. Due pale sembrano la soluzione perfetta per la simmetria, ma soffrono di un difetto nascosto: ogni volta che una pala passa davanti al pilone di sostegno, perde spinta per un istante. Questa pulsazione ritmica provoca una vibrazione che, a lungo andare, danneggia la struttura.
Con tre pale questo effetto è significativamente ridotto. Quando una è disturbata, le altre due si trovano in posizioni asimmetriche nel vento pulito, e la somma delle forze rimane molto più bilanciata.
E quattro o più? Il gioco non vale la candela. Sicuramente più pale riducono le vibrazioni, ma l’energia catturata aumenta di poco per il principio dei rendimenti decrescenti: ogni pala in più subisce di più la turbolenza delle altre, ottenendo così una perdita di efficienza.
In generale tre è l’equilibrio perfetto per la maggior parte delle applicazioni: stabilità strutturale, efficienza di cattura del fluido, peso e costi minimizzati.
Più pale convengono quando serve trasferire enorme potenza in un diametro limitato.
Gli aerei turboelica, ad esempio, montano 4, 5 o 6 pale per “mordere” abbastanza aria.
Le grandi navi ne usano anche 7 per limitare la cavitazione: distribuire lo sforzo su più pale riduce la formazione di bolle che danneggerebbero le superfici.
All’estremo opposto, dove contano la semplicità, la leggerezza, e la potenza in gioco è poca, l’elica a due pale torna a vincere. Non è un caso che la montino i piccoli droni e le barche a vela.
Il numero di pale, quindi, non è mai un dettaglio. È la firma di un problema risolto, la sintesi visibile di uno scopo preciso.
⚡️ Pillole 10 x 10 → Eliche & co.
Dieci curiosità da dieci secondi. Per conoscere, stupirsi, riflettere.
Quel “fermo immagine” dell’elica nei film. Nei video a volte le eliche sembrano ferme o girare al contrario. Si chiama effetto stroboscopico; è un’illusione ottica dovuta alla relazione tra la velocità di rotazione e i fotogrammi al secondo della cinepresa.
Elicottero ante litteram. Nel 1485 Leonardo da Vinci disegnò la “vite aerea”, una macchina per il volo verticale. L’intuizione di generare portanza con una superficie rotante aveva anticipato di quattro secoli l’idea dell’elicottero. Tuttavia non avrebbe mai potuto funzionare perché avrebbe ruotato su se stessa in senso opposto (per questo gli elicotteri hanno il rotore di coda).
Record di giri. Le eliche di droni e piccoli aerei possono superare le 10.000 rotazioni al minuto; quelle navali raramente oltre 100 giri/minuto.
L’elica spinge o tira? Entrambe. L’elica, ruotando, spinge il fluido dietro di sé e crea una zona di bassa pressione davanti a sé. Questa depressione “risucchia” in avanti il veicolo.
L’elica più grande al mondo. Le navi portacontainer Maersk “classe EEE” sono lunghe 400 metri e montano due eliche da 10 metri di diametro e 130 tonnellate di peso.
La forma “storta” delle pale. La velocità dell’elica aumenta man mano che ci si allontana dal mozzo al centro. La torsione della pala, chiamata svergolamento, compensa la diversa velocità locale per far sì che ogni sezione lavori con incidenza più efficiente.
Il nemico più grande di un’elica non è un iceberg, ma il potere distruttivo del vuoto. Sulle eliche in acqua si scatena un fenomeno chiamato cavitazione. La velocità della pala abbassa la pressione dell’acqua al punto da creare delle micro bolle di vapore. Un istante dopo implodono e generano onde d’urto che erodono il metallo.
La natura ha inventato l’elicottero molto prima di noi. Il seme di acero (samara), cadendo, entra in autorotazione. Questo movimento vorticoso crea un’area di bassa pressione stabile sopra il seme; la velocità di caduta si riduce fino al 90% e il vento trasporta il seme molto più lontano.
L’antenata di tutte le eliche serviva a sollevare i fiumi. La vite di Archimede, inventata nel III secolo a.C., è una grande elica contenuta in un tubo. Ruotando, solleva l’acqua da un livello inferiore a uno superiore, per irrigare terre aride, svuotare miniere allagate, accumulare riserve d’acqua.
La differenza tra un’elica e una turbina? La direzione della potenza. L’elica usa l’energia di un motore per imporre un movimento a un fluido. La turbina subisce il movimento di un fluido per “estrarne” la sua energia cinetica.
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Cultura generale a 360°.
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Giovanbattista & lo staff di Cultura Aumentata
È la curiosità che mi fa svegliare alla mattina.
— Federico Fellini