Le eliche: come funzionano, quali scegliere

In questo articolo vogliamo fornirvi una breve guida per orientarvi nell’acquisto di un elemento veramente fondamentale nella struttura di un drone: le eliche.

Quando aprite un motore di ricerca internet per cercare  delle eliche per il vostro dispositivo siete sicuri di sapere cosa state facendo? Come effettuate la vostra scelta? Limitandovi  al prezzo più conveniente?  Sapete ogni quanto tempo le eliche vanno sostituite ? Sapete qual è la forma più adatta alle vostre esigenze? Dietro ad un prezzo basso spesso si nasconde un prodotto di bassissima qualità e questo sapete cosa può compromettere? La vostra sicurezza!

Cominciamo col dire che l’elica è lo strumento con il quale la potenza meccanica del motore viene trasformata in movimento di un fluido (nel nostro caso l’aria) e quindi viene generata una spinta. 

 Le eliche influiscono parecchio sulle prestazioni del drone: infatti è grazie all’elica che viene generata la portanza, ovvero la forza verticale che si oppone alla forza peso.

Qui di seguito vi forniremo delle nozioni basilari  di fisica e matematica per capire il funzionamento di un drone, per darvi gli strumenti per scegliere i prodotti utili a massimizzare le prestazioni del vostro dispositivo

Il principio di funzionamento di un motore rotante è lo stesso per gli elicotteri, per gli aeromobili e per tutte le eliche delle imbarcazioni. Indipendentemente dal fluido (e quindi dalla densità) i concetti chiave sono sempre gli stessi.

Le eliche che trovate in commercio sono costituite da due o tre (rarissime quelle a 4) pale, innestate su un mozzo centrale. Ogni pala è in grado di generare una spinta perpendicolare alla direzione di rotazione.

Le eliche bipala le troviamo soprattutto nei motori di grosse dimensioni con regimi di rotazione basso, mentre per i droni da corsa si possono utilizzare anche le tripala. Il vantaggio di queste  ultime è di aumentare la velocità di avanzamento e la reattività senza aumentare il diametro dell’elica, inducendo tuttavia dei consumi energetici maggiori.

Principi fisici di aerodinamica

Per comprendere in maniera intuitiva il volo di un drone, possiamo fare riferimento al terzo principio della dinamica che sancisce che “ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”. 

Nel caso del nostro drone, se le eliche rotanti generano un flusso di aria discendente, per reazione, l’aria spinge l’elica verso l’alto. La forza che si genera è chiamata spinta o portanza.

Più nello specifico, definiamo forza aerodinamica la composizione di due forze: 

• la Portanza (P) che sui testi anglosassoni o americani è chiamata  “Lift”
• La resistenza (R) detta “Drag”

Queste due forze sono rispettivamente la componente perpendicolare e quella parallela alla direzione di rotazione delle eliche.

Le formule che rappresentano le due forze sono:

• P=1/2 𝞀 S Cp
• P=1/2 𝞀 S Cr

𝞀 è la densità dell’aria (o del fluido)

V è la velocità del vento relativo,

S la superficie alare

Cp e Cr i coefficienti di portanza e resistenza

Le osservazioni sulla portanza sono fondamentali per la scelta delle eliche. Notiamo che la portanza,

• AUMENTA, con la densità dell’aria. A sua volta, però,  la densità dell’aria è proporzionale alla quota, alla temperatura e alla pressione atmosferica. In generale più si vola in quota più la densità è bassa.
• AUMENTA secondo il quadrato della velocità, cioè se raddoppia la velocità, a parità di condizioni al contorno, la  portanza non è il doppio ma diventa il quadruplo.
• AUMENTA con l’aumento della superficie a contatto con il fluido, quindi aumenta con la superficie alare.
• VARIA con il coefficiente Cp caratteristico di ogni profilo ala-pala-elica. A sua volta il coefficiente aumenta o diminuisce a seconda dell’angolo di incidenza, ovvero l’angolo che si viene a creare tra la direzione del vento relativo e la linea della corda.

Poste queste condizioni, andiamo ora ad analizzare le caratteristiche della singola componente ELICA

Anzitutto, possiamo definire due grandezze: il diametro e il pitch.

• Il diametro, come si intuisce, è la distanza punta-punta delle 2 pale e costituisce l’area di lavoro dell’elica. Esso corrisponde al diametro del disco che circoscrive l’elica. L’unità di misura in questo caso è in pollici. Ricordiamo  che 1 pollice sono 2,54cm.

• Il pitch, o passo, è definito come la distanza che teoricamente (in condizioni ideali) l’elica percorrerebbe durante una rotazione completa. Anche il passo, come il diametro, si esprime in pollici e il numero che leggiamo indica l’altezza della colonna d’aria che verrà spostata durante la rotazione completa.

Anche la forma dell’elica riveste un ruolo importante nelle performance del modello, in primis perché incide sulla portanza (infatti cambiando S, la superficie alare, cambia il valore stesso della portanza) e poi anche da punto di vista strutturale cambia perché la parte terminale (la punta finale) è quella che induce effetti differenti, in quanto è lì che il flusso d’aria è maggiormente turbolento. 

 Si definisce Tip la parte terminale di un’elica e possiamo classificare le eliche in tre tipi: con il tip a punta, a naso di toro (bullnose, BN) e Hybrid Toro (HBN). Anche in questo caso la scelta è da fare in riferimento alle caratteristiche che si richiedono al proprio modello.

Altro parametro fondamentale da tenere in considerazione è il materiale con cui vengono costruite le eliche: materiali differenti daranno risultati differenti in termini di forza aerodinamica, di durata, di usura e di prestazioni.

 Le eliche disponibili sul mercato possono essere di vari materiali: plastica, fibra di carbonio, fibra di vetro, legno, ecc. 

Quelle costituite in fibra di carbonio offrono senza dubbio la miglior resa, grazie alle proprietà del materiale, ma ovviamente i costi sono maggiori.

Ora che si è compreso come funzionano le eliche e quali sono le loro parti fondamentali, passiamo ad una guida all’acquisto

Consigliamo innanzitutto di collegare eliche con un diametro di piccole dimensioni a motori piccoli  se si vogliono massimizzare la manovrabilità e l’agilità, mentre le eliche con diametri di grandi dimensioni vanno associate a motori più grossi in quanto garantiscono un aumento considerevole dell’autonomia in volo.

Ora, la scelta del pitch: se vogliamo realizzare un drone da corsa, dovremo utilizzare pitch elevati, per evitare perdite di spinta in fase di accelerazione e  di manovra. Pitch più contenuti invece sono da associare ad eliche con diametri più importanti in quanto permettono di sollevare modelli più ingombranti e pesanti mantenendo una relativamente elevata autonomia.

In definitiva per avere il miglior compromesso per le vostre esigenze, dovete trovare il migliore equilibrio fra regime di rotazione, autonomia della batteria e peso del drone da sollevare.

Speriamo con questa breve guida di esservi stati utili nella realizzazione e nel miglioramento del vostro drone.

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