Posizione di un modello in volo libero in un’atmosfera turbolenta

Queste considerazioni derivano dalle osservazioni sul comportamento degli alianti da pendio effettuate durante i raduni di modellismo di Verbier (1944-1950) e fino ad oggi. L’unica differenza è che i modelli di Verbier non disponevano di un sistema di pilotaggio con bussola. Noi, invece, abbiamo sviluppato modelli dotati di un’eccellente stabilità di rotta in condizioni atmosferiche turbolente, grazie a una distribuzione ottimale delle superfici laterali e alla posizione elevata della zavorra (piombo) collocata nella parte anteriore dell’apparecchio.

Le ultime osservazioni sono state effettuate in occasione del campionato svizzero 2020 a Wikartswil (BE), al concorso regionale di Hottwil il 12 settembre 2021 e, soprattutto, l’11 settembre 2022 durante il concorso di selezione della squadra nazionale a Gansingen. Quel giorno faceva molto caldo e il giorno prima aveva piovuto. Ogni volo alternava passaggi in ascendenza e discese piuttosto brusche. Quattro concorrenti hanno totalizzato 500 punti (3 voli da 240 s. e 2 da 300 s. I voli erano spettacolari: i modelli venivano portati a quota molto bassa prima o dopo aver raggiunto oltre 50 m sopra il punto di partenza. E in diverse occasioni i modelli si sono impennati di 20-25° per 20-30 secondi.

È stato nel 2021 che mi sono reso conto che non avevamo mai discusso di questo fenomeno. In effetti, eravamo tutti incollati ai binocoli e ogni concorrente si affrettava a recuperare il proprio modello per il volo successivo. Ma questa volta non ero un concorrente. Perché citare i modelli da pendio (F1E)?

I modelli da pianura (F1A, B, C) volano sopra di noi e descrivono cerchi. Da terra non si nota quasi alcuna posizione anomala.

I modelli da pendio partono dalla nostra stessa quota e si allontanano, per poi essere osservabili sia più in alto che, soprattutto, più in basso rispetto a noi. D’altra parte, almeno gran parte del volo è rettilineo. In questo modo è possibile osservarne il comportamento in condizioni atmosferiche turbolente.

In linea di principio, un modello vola leggermente inclinato (~7%) verso il basso. Nelle termiche dovrebbe mantenere questa posizione, così come in discesa.

Tuttavia, a volte si nota che il modello si impenna in modo stabile per alcune decine di secondi (Fig. 1) nelle correnti ascensionali e piomba nelle correnti discensionali. Nel volo in pendio, quando il modello entra in una corrente discensionale, lo si vede di schiena mentre piomba di circa 20°,

talvolta parallelamente al pendio (Fig. 2) ma senza mai urtarlo.

L'ascendenza è una corrente verticale dal basso verso l'alto. In realtà si tratta di una bolla d'aria che sale per alcuni minuti (non a lungo: se si parte subito dopo un picco massimo di 300 s, è probabile che si voli per meno di 120 s). L'ascendenza cessa quando l'aria riscaldata è stata sostituita da aria più fredda. Riprende quando il suolo favorevole (ad es. asciutto, scuro), irradiato per alcuni minuti, riscalda nuovamente l'aria.

La corrente discendente sostituisce il volume d’aria riscaldata che sale con aria più fresca.

Il modello che penetra nella corrente discendente attraversa uno (o

una successione di più) vortici ed è sottoposto a una forza di picchiata.

Ciò che stupisce è che la picchiata osservata dura in genere 10–20 s e che il modello perde molta quota.

Se non ci fosse una rete di vortici, il modello sarebbe soggetto a una coppia di picchiata solo per circa 0,25 s, quando l’ala e poi l’impennaggio entrano nella corrente discendente. In questo caso l’aliante dovrebbe ritrovare immediatamente il suo angolo normale di planata.

La picchiata non ha nulla di speciale. Qualsiasi aereo è stabile in picchiata, ma va in stallo se si impenna.

In planata normale, la portanza delle ali, grazie alla velocità,

è pari al peso dell’aliante. La resistenza «consuma» quota. Un aliante con una finess di 15 perde 1 m di quota per avanzare di 15 m. In una corrente ascensionale il modello si impenna, senza entrare in pompaggio, il che sorprende durante il volo rettilineo (Fig. 2). Naturalmente, un modello in virata, scosso mentre entra nel pompaggio, stringe la virata.

L’inclinazione dei binocoli dei concorrenti e dei cronometristi raggiunge almeno i 20° per una durata superiore ai 20 secondi. Come può l’aliante continuare a salire con un angolo del genere senza andare in stallo? Quindi l’aliante con il muso all’insù continua a volare a circa 5 m/s. Se la velocità dell’aliante diminuisse, la portanza cesserebbe e l’aliante andrebbe in stallo.

Stiamo volando da una radura a ovest. Il vento da est soffia a una velocità di circa 7 m/s. Bisogna andare un po’ più veloci per atterrare in pianura. Ci sono molti modelli maxi (300 s).

Tutto è normale per un modello che vola esattamente controvento. Il mio modello deriva leggermente a dritta. Ciò che non è normale è la sua inclinazione costante a dritta. Sta perdendo termica e lo cerco troppo a lungo per poter effettuare altri voli. Osservo poi altri voli e noto l’inclinazione degli altri modelli che deviano verso dritta. Questa inclinazione può raggiungere circa 20°. I modelli sono molto stabili in questa posizione.

Con questa inclinazione, la superficie portante si riduce al 94%. Un modello regolato a 8,0 m/s accelera a circa 8,25 m/s. Il timone è virato? Perché questa inclinazione?

Non ricordo di aver osservato questo fenomeno in altre occasioni se non a Winkartswil, sul versante occidentale, nel 2020 in occasione del campionato svizzero. Il vento soffiava da nord-est. I modelli, inclinandosi

derivando verso sud sorvolavano un bosco, il più delle volte a 20-40 m sopra gli alberi.

I modelli che volavano esattamente controvento volavano perpendicolarmente rispetto ai vortici creati dalle differenze di velocità tra i diversi strati d’aria e quindi non ne erano influenzati. Gli strati d’aria ben al di sopra del bosco avevano una velocità di ~7 m/s.

I nostri modelli presentano un'ampia diedra, pari a circa il 10% dell’apertura alare. Se il modello si inclina di 11,3°, la proiezione della superficie dell’ala abbassata aumenta di circa il 6% e quella dell’ala sollevata diminuisce di circa il 7,7%. È quindi necessaria una certa coppia per mantenere il modello inclinato in modo stabile.

Non vedo altra spiegazione se non l’impatto asimmetrico dei vortici sul modello.

Prendiamo un modello spostato a dritta. La sua traiettoria programmata forma un certo angolo con la direzione del vento. I vortici sono praticamente perpendicolari alla direzione del vento. Ogni vortice «attacca» prima l’ala di babordo sull’intradosso (soprattutto l’orecchio, nel caso di un modello a diedri multipli) e poi, circa 0,07 s dopo, l’estradosso dell’ala di tribordo (a causa di una deviazione della traiettoria rispetto alla direzione momentanea del vento). La forte turbolenza e l’energia del vortice aumentano la portanza dell’orecchio di sinistra e diminuiscono quella dell’orecchio di destra (o dell’ala di sinistra e poi dell’ala di destra nel caso di un diedro a V singola) e mantengono praticamente costante l’inclinazione dell’aliante. Ma potrebbe esserci una spiegazione più semplice. Il pendio che causa l’ascendenza dinamica non è un piano inclinato che il vento colpisce nella direzione della sua massima inclinazione. La Fig. 4 mostra l’aliante inclinato in base alla forma della collina.

Tra due correnti d'aria si formano dei vortici

di senso opposto o a velocità diverse. Maggiore è la differenza di velocità, più intensi sono i vortici. Il vortice è un cilindro rotante il cui raggio aumenta proporzionalmente all’aumentare della differenza di velocità. L’asse dei vortici è perpendicolare alla direzione dei flussi. Il senso di rotazione dei vortici è determinato dalla direzione dei due flussi.

Per cominciare, supponiamo che i due flussi siano verticali, come avviene in presenza di vento debole. L’ascendenza e la discendenza sono quindi flussi verticali.

Ma si verificano anche flussi orizzontali o obliqui durante l’aspirazione dell’aria di «sostituzione».

«È l’asimmetria a determinare il fenomeno1».

Supponiamo un prato orizzontale di 20 m di diametro e irradiato in modo omogeneo. Non c’è vento. La bolla termica sarà una «salsiccia» di 20 m di diametro che si eleverà mantenendo la sua forma. I vortici saranno tori orizzontali di 20 m di diametro.

In realtà c’è vento, irregolare poiché i movimenti termici sono discontinui.

L’irraggiamento dipende dalla natura del suolo. Pertanto i vortici saranno discontinui e non

necessariamente orizzontali. Passiamo ora ai vortici dinamici, con un vento abbastanza regolare. Per ottenere vortici orizzontali occorrerebbe un pendio pianeggiante, che termini con una sommità orizzontale ben arrotondata, con il giro ben orientato nella direzione del vento. Inoltre, la natura del suolo dovrebbe essere omogenea.

In realtà abbiamo una collina di cui una parte della superficie è un pascolo e il resto un bosco.

I vortici sono discontinui e possono presentare una certa inclinazione.

Queste osservazioni riguardano in linea di principio solo i modelli da pendio che volano relativamente vicino al suolo, su terreno accidentato, in presenza di vento forte o di attività termica. I terreni in leggera pendenza non dovrebbero essere soggetti a tali influenze. Le altre categorie di modelli o velivoli non sono interessate.

Ma se per caso queste righe fossero lette da un aerologo o da un altro esperto di aerodinamica, ovvero da qualcuno che conosca i flussi d’aria atmosferici, i suoi commenti sarebbero ben accetti.

Maurice Bodmer