La scienza degli aeroplanini di carta

Nel 2008 un gruppo di ingegneri e appassionati di modellismo giapponesi progettò per ragioni di interesse scientifico il lancio sperimentale di una flottiglia di aeroplanini di carta dalla Stazione Spaziale Internazionale. Il progetto, guidato dal docente del dipartimento di Aeronautica e astronautica dell’Università di Tokyo Shinji Suzuki, fu in seguito posticipato e sospeso perché gli scienziati non avrebbero avuto modo di tracciare il volo degli aeroplanini né di prevedere il luogo di atterraggio, presumibilmente in acqua.

L’idea del lancio dalla stazione spaziale è una delle più raccontate prove della presenza e della popolarità per certi versi incredibile degli aeroplanini di carta nella storia della scienza. Oltre che oggetti molto familiari nell’esperienza comune fin dall’infanzia, gli aeroplanini di carta sono infatti utilizzati da secoli per spiegare fenomeni dell’aerodinamica, e sono argomento di articoli scientifici e modelli di riferimento pratici e attuali nello sviluppo di velivoli di minor costo e impatto ambientale rispetto agli aerei, tra cui i droni.

Suzuki sviluppò il progetto per il lancio dallo Spazio in collaborazione con Takuo Toda, presidente dell’Associazione giapponese di aeroplanini di carta e detentore di diversi record sugli aeroplanini. Lo aveva conosciuto dieci anni prima in occasione del suo lancio inaugurale di un aeroplano di carta lungo due metri dalla torre di un museo per appassionati costruito sul monte Yonami (663 metri), a Jinsekikogen, nella prefettura di Hiroshima. Toda aveva costruito quel modellino di carta prendendo spunto dalla forma dello shuttle Discovery della NASA. E coltivava l’idea di farne volare uno dallo Spazio fin da quando nel 1977 l’Agenzia utilizzò l’Enterprise, un prototipo di shuttle senza motori né scudo termico, per compiere test di volo nell’atmosfera.

Uno dei dubbi sul progetto di Suzuki e Toda riguardava il fatto che gli aeroplani potessero bruciare durante il rientro nell’atmosfera: possibilità che gli autori contavano di ridurre utilizzando un tipo di carta resistente al calore e un rivestimento protettivo in silicone. Nei loro piani avrebbero planato per un tempo imprecisato, da una settimana a diversi mesi, prima di ricadere sulla Terra. E quel volo sarebbe diventato il più lungo mai compiuto da un aeroplano di carta.

L’altro dubbio – la principale ragione per cui alla fine non se ne fece niente, oltre alle ragioni di budget – riguardava le limitate possibilità di seguire la traiettoria degli aeroplani, che ovviamente non potevano trasportare strumentazioni adatte a questo scopo. Non c’era modo di sapere se e dove sarebbero atterrati: si decise quindi di scrivere in diverse lingue su ciascuno degli aeroplani una richiesta di contattare il gruppo di ricerca giapponese. Ma considerando anche che il 70 per cento della superficie terrestre è ricoperta dall’acqua la maggior parte degli aeroplani non sarebbe probabilmente mai stata recuperata.

Toda è un personaggio abbastanza conosciuto tra gli appassionati di aeroplanini di carta: detiene il record mondiale di durata (29,2 secondi) di un volo di un aeroplano di carta, stabilito nel 2010. Ma esistono altri record, come quello relativo alla maggiore distanza (88 metri), stabilito nel 2022 da tre giovani ingegneri aerospaziali statunitensi della Missouri University of Science and Technology. E la forma, il peso e le dimensioni dell’aeroplanino possono cambiare molto in funzione dell’obiettivo.

Sebbene dibattuta è abbastanza comune l’idea che l’origine degli aeroplani di carta risalga ai primi modelli costruiti in Cina nel V secolo a.C. È tuttavia probabile che questi antichi prototipi, ricavati a partire dal bambù o dal lino, somigliassero di più ai moderni aquiloni. Altre fonti sostengono che i concetti relativi al volo e all’aerodinamica degli aeroplani di carta furono pienamente compresi soltanto molti secoli dopo. E citano come primi esempi gli studi e i modelli di carta dell’ornitottero di Leonardo da Vinci, un mezzo ad ali battenti progettato per funzionare imitando il movimento delle ali degli uccelli.

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In seguito l’ingegnere e aviatore inglese dell’Ottocento George Cayley mise a punto le prime moderne macchine adatte al volo studiandone la meccanica e l’aerodinamica a partire da modellini in scala realizzati in carta e in balsa. «Fu il primo a collegare l’idea che la portanza delle ali che fanno sollevare l’aereo per un volo stabile deve essere maggiore o uguale al peso dell’aereo», ha detto alla rivista Popular Mechanics Jonathan Ridley, ingegnere inglese e studioso di aviazione della Solent University nel Regno Unito.

Anche i comuni aerei di carta costruiti per gioco, sebbene con forme diverse da quelle che immaginiamo oggi, potrebbero essere esistiti prima ancora del primo volo dei fratelli Wright, sull’aeroplano che il 17 dicembre 1903 rimase in aria per 12 secondi percorrendo circa 36 metri. E oltre un secolo dopo quel volo, preparato dai Wright usando anche prototipi di carta, gli aeroplani di carta sono ancora oggi – per la loro praticità e leggerezza – un modello utile per appassionati di aviazione e anche ingegneri che studiano la resistenza dell’aria su velivoli di piccole dimensioni come i droni.

In uno studio pubblicato nel 2022 sulla rivista Journal of Fluid Mechanics un gruppo di ricerca statunitense della New York University e della Cornell University ha approfondito la meccanica del volo degli aeroplani di carta e studiato nuovi modi di ottenere un volo stabile. Parte del lavoro è stata svolta in un apposito laboratorio nella Cornell University, gestito dalla fisica statunitense e coautrice dello studio Jane Wang e dal suo collega Leif Ristroph. E prevedeva di analizzare i dati del volo dopo ogni lancio e applicare dei pesi per modificare l’assetto degli aeroplanini.

L’obiettivo degli autori e delle autrici è che studi come questo possano contribuire a migliorare la comprensione delle caratteristiche del volo degli oggetti leggeri: un genere di conoscenze con varie applicazioni pratiche e che in futuro potrebbero servire per la costruzione di droni in miniatura e altri piccoli velivoli senza pilota e senza motore. Anche al netto di questi possibili sviluppi, i dati ottenuti attraverso queste ricerche possono rendere più chiari alcuni importanti principi aerodinamici di base.

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Su tutti gli aeroplani in volo agiscono quattro forze: portanza, peso, resistenza e, sui mezzi a motore, spinta (o trazione). La portanza è la forza aerodinamica generata dal movimento in avanti di un oggetto attraverso un fluido, in questo caso l’aria. Il peso è la forza opposta, cioè la gravità che attira l’aeroplano verso la Terra. La spinta è la forza prodotta dal motore o dalle eliche di un aereo, mentre manca nel caso dell’aeroplanino di carta che avanza solo per il lancio iniziale. E la resistenza è la forza data dall’attrito dell’aereo mentre si muove nell’aria, generalmente opposta al moto.

Come spiegato da Popular Mechanics una differenza fondamentale tra gli aerei e gli aeroplanini di carta dal punto di vista aerodinamico è il profilo delle ali. Negli aerei il bordo anteriore è arrotondato in un modo che permette all’aria che scorre sopra l’ala di muoversi più velocemente di quella che passa sotto, e questo genera portanza (la forza che permette di rimanere in volo). In quelli di carta invece il profilo alare è piatto, e l’aria non scorre attorno all’ala in modo uniforme: si crea un piccolo vortice che cambia le caratteristiche aerodinamiche dell’aereo, rendendo il volo meno prevedibile ma comunque dotato di una certa stabilità naturale, almeno in linea di principio.

L’obiettivo teorico principale del lavoro del gruppo di ricerca era individuare quali modifiche fosse necessario apportare, per avere una planata stabile, al centro di equilibrio di un aliante (un aeromobile senza motore che si sostiene in volo grazie alla reazione dinamica dell’aria contro le superfici alari). Il centro di equilibrio si trova nel punto in cui un aereo, se fosse sospeso a mezz’aria, sarebbe perfettamente bilanciato. Per modificare il centro di equilibrio degli aeroplanini il gruppo di ricerca ha utilizzato strisce di nastro in lamina di rame, posizionandole in punti diversi per studiare di volta in volta i diversi effetti sul volo.

Se i pesi venivano posizionati troppo vicino al centro del foglio utilizzato per costruire l’aeroplano, questo cadeva a terra seguendo una traiettoria incontrollabile. Se i pesi erano posizionati troppo in avanti, gli aeroplani scendevano subito in picchiata. Il gruppo ha quindi scoperto che la planata stabile si otteneva posizionando i pesi in una posizione intermedia tra il centro e il bordo esterno anteriore del foglio. E la scoperta è stata da loro considerata rilevante perché, contrariamente alle conclusioni di altre ricerche precedenti, l’aeroplano di carta era anche in grado di correggere la traiettoria e raddrizzarsi se disturbato durante il volo.

Negli ultimi anni la ricerca e lo sviluppo di alianti hanno subito un’accelerazione a fronte della crescente richiesta di mezzi più economici e meno inquinanti rispetto agli aerei tradizionali. Nel 2017 la società di San Francisco Otherlab lavorò a un programma per la costruzione di un aliante di cartone dopo aver ottenuto un finanziamento dalla DARPA, l’agenzia governativa del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti incaricata dello sviluppo di nuove tecnologie per uso militare.

L’obiettivo dichiarato era di costruire piccoli mezzi in materiale biodegradabile in grado di trasportare sangue, vaccini o altri carichi critici in zone inaccessibili con altri mezzi di trasporto. I piccoli alianti in cartone compresso, muniti di un microcomputer di bordo, sarebbero stati lanciati da un aereo e indirizzati verso i luoghi di destinazione. E nonostante il progetto sia stato da tempo accantonato l’idea di sviluppare piccoli mezzi aerei senza motore è ancora relativamente diffusa.

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