22/09/18

Nuove storie di turbolenza

Questo articolo è stato inserito nella pagina d'archivio "Vortici e Turbolenze", che si trova sia nella sezione "Fisica Classica" che in "Forme ricorrenti nell'Universo"

Eh sì, la faccenda non si chiude così facilmente. La turbolenza è, inevitabilmente, turbolenta.

federer turbovela 2

Un campione di tennis in azione, una buffa barchetta con uno sproporzionato “fumaiolo”.

Cosa avranno mai in comune?

Ebbene, il grande Federer è sul punto di eplodere il suo micidiale top spin che imprimerà alla pallina una rotazione incredibile, questo lo si vede chiaramente.

Il top spin e le sue varianti sono ben note ai giocatori di golf, tennis , baseball, calcio, ping pong , basket, cricket, pelota, bocce , etc ossia tutti gli sport in cui si colpisce una palla, grande o piccola, morbida o dura.

Funziona così:

Si imprime una rotazione alla palla in senso anterogrado o retrogrado, il cosiddetto “effetto” che altera la traiettoria ingannando il rivale sul punto di caduta e creando rimbalzi anomali, sia per la direzione (angolo di riflessione) sia per la velocità che può risultare rallentata o accelerata. Insomma un gioco “sporco” i cui effetti possono difficilmente essere previsti e contrastati.

Ma come può una semplice rotazione produrre questi effetti ? Bene, avete indovinato, entriamo nel regno della turbolenza, dove tutto è diverso e stravagante.

Ecco un esempio in 26 secondi di video: siamo sopra l'invaso di una diga e guardate un po'...

https://www.youtube.com/watch?v=zgeMzoK9o_w

Questa cosa si chiama “effetto Magnus” dal nome dello scopritore Heinrich Gustav Magnus, ( 1802 – 1870 ) e dipende dal fatto che il moto traslatorio e rotatorio si combinano creando sovrapressioni, depressioni e vortici nella immediata prossimità del corpo in movimento. Questa turbolenza, in definitiva, genera una differenza di pressione che è responsabile del “volo” del proiettile.

Eccovi ora una piccola digressione “fuzzy”. Domanda: esiste un confine tra la palla che cade e l'aria circostante. Dove è queso confine? Dove finisce la palla e dove comincia l'aria? E cosa c'è in mezzo? Quanto è vasta questa “terra di nessuno”... è la distanza di Planck? Chissà!

Avete presente le palline da golf con tutte quelle concavità distribuite sulla superficie? E la peluria delle palline da tennis? E le cuciture del mosaico del pallone da calcio o delle palle da baseball? L'unica pallina liscia è quella da ping pong ma , alla fine, anche la palla con una superficie che più liscia non si può , a livello microscopico è sempre rugosa e si incorpora con il fluido che la circonda, trascinando nella sua rotazione un sottile strato di aria che, per viscosità, ne trascina un altro che a sua volta … come strati concentrici di una cipolla.

Ecco come appare il flusso dell'aria attorno alla palla da basket che cade senza ruotare, giù dalla diga nel video...

magnus1

La palla cade e l'aria le va incontro aprendosi simmetricamente ai suoi lati, la sua traiettoria è verticale, in quanto la palla è soggetta alla forza peso, alla spinta di archimede e all'effetto frenante dovuto alla viscosità del fluido in regime laminare. Per un ripasso lampo vedete qui.

Ma cosa succede un istante dopo, alla seconda palla, quando, prima di farla precipitare le si imprime un moto rotatorio?

magnus3

Notate (se avete dubbi riguardate il video) che la rotazione è stata impressa in senso antiorario, perciò verso la parete della diga la velocità tangenziale della superficie della palla ha senso contrario al flusso di aria , mentre sul lato opposto, verso lo spazio libero, la velocità tangenziale ha senso concorde al flusso. Si crea quindi una differenza di pressione che è una vera e propria “portanza alare” : aria più veloce = minor pressione, aria più lenta = maggior pressione. Risultato? Una spinta nella direzione della pressione minore, nel disegno da sinistra verso destra, cioè una forza che fa volare via la nostra palla dalla parete della diga. Lo avete pur visto, no?

Bene la palla vola , ma la barca, che c'entra ?

E' il momento di parlare di un ingegnere tedesco, Flettern, che realizzò un secolo fa alcune navi a vela senza vela. In realtà dovremmo parlare di… turbovela.

La piccola barca della prima foto ha delle sorelle maggiori come queste...

turbovela turbovela 3

E ci sono anche le nonne di inizio novecento....come questa del 1926

turbovela 1926

Ma come funziona ? C'entra anche Einstein...

Nel primi anni del secolo scorso Anton Flettern, un ingegnere aeronautico tedesco che aveva dato un significativo contributo allo sviluppo dell'aeroplano e dell' elicottero, progettò una nave con un sistema di propulsione costituito da due cilindri rotanti che, investiti lateralmente dal vento, generavano per effetto Magnus una forza di spinta sulla imbarcazione. La prima realizzazione di questo progetto avvenne nel 1926 sostituendo, sul tre alberi Buckau, gli alberi di prua e di poppa con due cilindri rotanti

Ecco un semplice schema di immediata comprensione che illustra il principio di funzionamento, identico a quello che fa volare la palla da basket.

turbovela schema

Flettern si avvalse nientemeno che della collaborazione di Albert Einstein nel progettare i cilindri, alti 16 metri che costituivano la “velatura” di questa curiosa imbarcazione.

In realtà la forza motrice era abbastanza modesta e veniva utilizzata come ausilio alla propulsione.

Negli anni della grande depressione questi esperimenti vennero interrotti e dimenticati.

Solo negli anni '80 Jacques Cousteau partendo da alcuni progetti di Flettern degli anni '20, realizzò una nave , l'Alcyone, che impiegava turbovele; eccola qui sotto:

alcyone

Nel 2008 la tedesca Enercon costruì una nave sperimentale con quattro turbovele in grado di partire anche in assenza di vento, riscontrando un risparmio sui consumi di circa il 25%.

Più recentemente, nel 2013, la svedese Viking Line ha realizzato un traghetto passeggeri di 58.000 tonnellate (quello illustrato nella foto più sopra) su cui è installato un cilindro di 24 metri di altezza e 4 di diametro.

Oltre al risparmio di energia è notevole il beneficio dal punto di vista dell'impatto ambientale.

Per il 2020 è in allestimento una nuova unità dotata di due turbovele.

Anche in campo aeronautico i cilindri rotanti hanno trovato applicazione fin dai primissimi anni, addirittura dal 1910. Nel 1930 negli USA fu realizzato perfino un idrovolante: il Plymouth AA 2004, che vediamo in questa foto. Come per le navi, tuttavia, anche per gli aerei i cilindri hanno avuto un lungo periodo di oblio.

Ma, nella foto a fianco, potete vedere niente meno che un progetto attualissimo, per non dire futuristico, di auto volante, denominato ICar 101 che ripropone i cilindri di Flettern.

aereo rotore flettern  icar 101

La turbolenza, insomma, conserva molti dei suoi segreti, ma gli ingegneri, si sa, non hanno troppa pazienza e non aspettano certo che sia tutto chiarito prima di passare all'utilizzo pratico.

5 commenti

  1. leandro

    Le palline da golf prima erano lisce, poi qualcuno ci fece le fossette per farle andare più lontano (backspin).

  2. hotrats

    @leandro

    Il bello della storia, almeno da come la conosco io, è che il tutto fu assolutamente empirico. Ci si rese conto che le palle invecchiate, piene di scheggiature e graffi, andavano meglio di quelle nuove. Allora ci si chiese: E se le facessimo nascere già vecchie? Ed ecco gli incavi che simulano l'invecchiamento della palla :)

    Ciao

  3. Maurizio Bernardi

    Vedo che nel circolo non mancano i golfisti...

    A questo punto mi aspetto un commento da Frank.

  4. Maurizio Bernardi

    Grazie , Vincenzo, di questa integrazione da non perdere.  Interessanti anche i numerosi commenti.

     

     

Lascia un commento

*

:wink: :twisted: :roll: :oops: :mrgreen: :lol: :idea: :evil: :cry: :arrow: :?: :-| :-x :-o :-P :-D :-? :) :( :!: 8-O 8)

 

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.