venerdì 24 febbraio 2012

In scia


Mentre preparavamo un corso per insegnanti sulla bicicletta e vedevamo i vari aspetti scientifici (e non) legati a questo veicolo emozionale, abbiamo considerato l'effetto della resistenza dell'aria nel farci fare fatica quando viaggiamo. Naturalmente sapevamo che se stai nella scia di qualcuno fai meno fatica (vedi anche Aerodinamica, una pagina del sito dell'Exploratorium di San Francisco) e ci siamo chiesti che cosa sia la scia dietro una bicicletta (e un generico veicolo) e che forma e dimensione abbia. 

Mi ricordavo di aver visto un episodio della serie Mythbusters (il mio mito personale) in cui Grant con un'automobile si mette nella scia di un grosso camion, a distanza sempre minore, scoprendo che i consumi dell'auto crollano clamorosamente: stando a 3 metri dal retro del camion l'efficienza distanza/litro aumenta del 39%, confermando in modo evidente che una gran parte dell'energia impiegata per viaggiare (quindi del combustibile, se parliamo di auto) serve per vincere la resistenza dell'aria (Mythbusters: drafting 10 feet behind a big rig will improve mileage 39 percent) (beh, la resistenza dell'aria è proporzionale al quadrato della velocità!). Ma settimana scorsa ho trovato per caso una prova dedicata proprio all'andare in scia in bicicletta, svolta nello stesso episodio che evidentemente non avevo visto completamente. 


La prima prova mostrata nel video serve a misurare la massima velocità che Tory raggiunge in condizioni normali: riesce ad arrivare a 32 km/h (20 miglia orarie), una velocità lontana da quella dei professionisti o anche solo degli sportivi, ma decisamente buona se la considero io dal mio punto di vista di ciclista normale (Grant gli applica un cardiofrequenzimetro e registra la frequenza delle pulsazioni mentre Kari si occupa di misurare la velocità con un dispositivo di rilevazione stradale). Dopo essersi opportunamente riposato, Tory ripete la prova mettendosi però dietro un grosso camion (a big rig) che va alla massima velocità raggiunta prima. Beh, la differenza è evidente: fatica quasi annullata, addirittura Tory ogni tanto smette di pedalare oppure deve frenare (vedi Annotated Mythbusters Episode 80: Big Rig Myths)  
Vedendo il video mi immagino che Tory stia muovendosi praticamente senza provare la resistenza dell'aria, in una bolla di aria che segue il retro del camion ed è quindi ferma rispetto a lui, che si muove alla stessa velocità del camion.

Ho cercato in giro e ho trovato in un sito sportivo l'articolo Sfruttare la scia 
in cui vengono descritte cinque configurazioni di un gruppo di ciclisti utili per sfruttare la scia. In un altro sito c'è L'Aerodinamica nel Ciclismo: la Scia in cui viene detto che dietro al primo ciclista, quello che "apre" l'aria, si forma una zona di bassa pressione, e lo stesso viene mostrato nel video Cycling - Slip Streaming che mostra con una animazione il flusso dell'aria attorno al ciclista ma indica la zona dietro il ciclista addirittura come "vacuum". 

Qualcosa in questo non mi convince. Se c'è una zona di bassa pressione mi aspetto che ci sia un flusso d'aria che dall'esterno della zona si muove verso il suo interno, cioè una specie di risucchio. Per mettere in evidenza il moto dell'aria nella scia, nella preparazione del corso sulla bicicletta avevamo pensato di usare una lamina di sapone, che è molto sensibile ai movimenti dell'aria, sperimentando l'attività chiamata Bolle in scia  



Alla fine delle prove ci siamo fatti questa idea della faccenda: l'aria che fluisce attorno all'oggetto crea una specie di superficie a pressione più alta (cioè una discontinuità di pressione) che si allunga dietro l'oggetto in movimento e circonda un volume di aria, a pressione ambiente, che si muove insieme all'oggetto, quindi alla sua stessa velocità (percepivo questo confine in modo molto netto quando andavo in moto: arrivi dietro un camion ed esci per sorpassarlo, e in quel momento vieni sballottato, stai attraversando il confine della scia). 
Se stai in quel volume delimitato dal fluire dell'aria e mantieni la stessa velocità dell'oggetto non c'è moto relativo fra te e l'aria, quindi la resistenza dell'aria crolla. 
Ma l'indagine prosegue ...

venerdì 17 febbraio 2012

Spingere a lato per andare avanti, cercando di restare in equilibrio


Prosegue il lavoro sulla waveboard (l'inizio è in Cavalcare l'onda senza acqua). Questa settimana mi sono dedicato al lavoro teorico perchè lunedì mi sentivo molto (troppo) sicuro e ho provato una conversione a U abbastanza stretta e  veloce: la tavola è andata da una parte e io dall'altra, e poi per terra con un tonfo interessante (ma la tavola non si è fatta niente). Così ho sospeso gli allenamenti in attesa che il fianco mi torni come prima.



L'asse di rotazione del supporto delle ruote non è in verticale e non passa nel centro della ruota. Quando ruoto il supporto la ruota si sposta lateralmente. 




Quando spingo un piede verso il basso a destra la ruota si sposta verso sinistra; in questo modo dà una spinta sul terreno. Poi abbasso il piede dall'altra parte, e così via.
Lo si vede anche in un altro veicolo che usa lo stesso fenomeno: il "plasma car" 



Una versione diversa chiamata roller racer funziona nello stesso modo.

Il NonLinear Physics Group dell'università di Toronto ha affrontato la questione in The Physics of the Roller Racer and the Plasma Car (questo per dire a tutti, soprattutto al mio direttore, che non sto giocando e perdendo tempo ma conduco un serio lavoro scientifico; è un lavoro duro ma qualcuno deve pur farlo!). Se non bastasse, ecco l'articolo che mi fa da riferimento 
P.S. Krishnaprasad and Dimitris P. Tsakiris, Oscillations, SE(2)-snakes and motion control: a study of the Roller Racer  (sono arrivato agevolmente fino alla seconda figura, poi sono finite le figure)

Il movimento a S è tipico dei serpenti, e si presenta in varie forme. 



Sembra un movimento piuttosto efficiente, ed è stato applicato al movimento di robot.


Per un certo periodo avevano pensato di costruire robot simili da spedire su Marte. 

Quanto siano abili i serpenti guardatelo qui (parecchio inquietante). 

venerdì 10 febbraio 2012

Cavalcare l'onda senza acqua


Alice e io abbiamo iniziato a pensare a un campus estivo su scienza e sport. Sono attratto dalla waveboard, quella tavola tipo skateboard ma con due sole ruote che avanza con un movimento ondeggiante molto fluido: andare in waveboard farà parte delle discipline del campus. In effetti non credo si possa parlare di disciplina sportiva, come non lo si fa per lo skateboard, ma non siamo troppo fiscali. Ecco un tutorial, non entusiasmante ma chiaro, su come si usa la tavola. 


Per ogni disciplina esploreremo uno/due aspetti scientifici. Per la waveboard è l'equilibrio e il movimento, come si possa andare in una direzione quando si applica una forza in una direzione diversa (addirittura perpendicolare).  

Ho comperato la waveboard e sto imparando ad andarci. In effetti la cosa si sta allargando a un sacco di colleghi che passano dal laboratorio, ci vedono all'opera e ci provano anche loro. Più o meno in una mezz'ora si comincia a stare in equilibrio e ad accennare il movimento, quindi imparare non è frustrante (per esempio, imparare ad andare in monociclo richiede una certa determinazione perchè passano magari 5/6 ore senza che si riesca a fare altro che cadere, però con sempre maggior stile).


venerdì 3 febbraio 2012

Forni solari per la bella stagione


Le giornate che si allungano, la neve e un po' di freddo mi fanno immaginare la bella stagione. E per prepararsi alla bella stagione perchè non realizzare un forno solare? 

Costruire il modello più semplice, di cartone, è piuttosto semplice e poco costoso. Ci si mette circa un pomeriggio, avendo prima recuperato tutto quel che serve: sollecitato da Silvia ho ripescato una vecchia scheda che presenta il forno solare e la sua costruzione, e ne ho realizzato uno insieme a mio figlio. 

Al di là del suo uso come strumento didattico e "gadget" interessante, il forno solare viene usato in regioni del mondo in cui c'è penuria di legna da usare come combustibile e/o c'è molto sole, vedi le indicazioni del Solar Cookers World Network

Un aggiornamento sulla triboluminescenza. Stefano mi ha dato da provare una caramella che ha preso nella trattoria indiana vicino al museo: è una specie di grosso cristallo di zucchero. Funziona benissimo!