Volo straordinario del succiacapre, Caprimulgus europaeus, e i segreti nascosti nelle sue ali

Imma

giniamo per un momento di dover progettare un veicolo in grado di compiere due imprese completamente opposte. Da un lato, deve essere un’autovettura da corsa eccezionale, capace di percorrere migliaia di chilometri attraversando continenti, mari e deserti senza rimanere a secco di carburante. Dall’altro lato, la stessa identica struttura deve trasformarsi in un elicottero ultraleggero e iper-agile, capace di virare in uno spazio ristrettissimo, frenare all’improvviso a mezz’aria e cacciare piccoli bersagli in movimento nell’oscurità.

Nessun ingegnere umano è mai riuscito a costruire una macchina del genere con la stessa efficienza. Eppure, la natura ci è riuscita con un uccello straordinario e misterioso: il succiacapre europeo (Caprimulgus europaeus).

Questo piccolo predatore notturno, dal piumaggio mimetico che lo fa sembrare una corteccia d’albero, compie ogni anno un lungo viaggio migratorio dall’Europa fino all’Africa meridionale. Durante la notte, tuttavia, il suo stile di vita cambia radicalmente: vola a basse velocità, sfiora il terreno e gli alberi, ed esegue virate strettissime per catturare insetti al volo. Come fa un unico paio di ali a soddisfare due esigenze aerodinamiche così visceralmente contrastanti?

I ricercatori dell’Università di Lund, in Svezia, hanno deciso di svelare questo enigma inserendo i succiacapre in una speciale galleria del vento. I risultati della ricerca, pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica PLOS Biology, hanno ribaltato decenni di convinzioni sul volo degli uccelli, svelando un compromesso evolutivo inatteso e un trucco aerodinamico che finora si riteneva un’esclusiva di pipistrelli e insetti.

Il grande mito dell’uccello migratore perfetto

Nell’immaginario comune, e persino in molte teorie biologiche tradizionali, si è sempre pensato che un uccello migratore a lunga distanza debba possedere ali perfettamente ottimizzate per la massima efficienza aerodinamica ad alta velocità. Ali lunghe, strette e affusolate, come quelle dei rondoni o degli albatri, consentono di scivolare nell’aria riducendo al minimo l’attrito e la fatica.

Tuttavia, gli studi guidati dal professor Christoffer Johansson hanno dimostrato che il succiacapre infrange questa regola. Sebbene il suo corpo sia leggero e affusolato, le sue ali presentano una caratteristica peculiare: estremità molto ampie e sfilacciate.

Quando il succiacapre vola lentamente durante la caccia, queste ampie estremità alari gli permettono di generare una portanza straordinaria, consentendogli di rimanere in aria quasi come uno stazionario elicottero (il cosiddetto volo hovering). Il costo di questa capacità si presenta quando l’uccello accelera verso le sue velocità di crociera durante la migrazione. A velocità elevate, la forma larga delle ali crea turbolenze e disomogeneità nel flusso d’aria, riducendo drasticamente l’efficienza aerodinamica.

Il succiacapre non è una macchina volante perfetta per un singolo scopo, ma il risultato di un affascinante compromesso evolutivo: sacrifica l’efficienza nel volo veloce per non morire di fame durante la caccia a bassa velocità.

La scoperta del battito ascendente attivo e la spinta inattesa

Esaminando i flussi d’aria generati dal movimento delle ali tramite tecniche di visualizzazione avanzate, gli scienziati si sono imbattuti in un secondo fenomeno ancora più sorprendente.

Nel volo classico degli uccelli, il ciclo del battito alare si divide in due fasi principali:

• Fase discendente (downstroke): l’uccello spinge l’ala verso il basso e all’indietro, generando la maggior parte della portanza (la forza che lo tiene in quota) e della spinta (la forza che lo fa avanzare).

• Fase ascendente (upstroke): l’uccello solleva l’ala richiamandola verso il corpo per ridurre la resistenza dell’aria. Tradizionalmente, negli uccelli questa fase è considerata passiva o rivolta al solo sostegno del peso.

I ricercatori hanno scoperto che il succiacapre continua a generare spinta propulsiva anche durante la fase ascendente del battito alare. Mentre richiama l’ala verso l’alto, invece di limitarsi a subire l’aria, l’uccello esegue una sofisticata manovra di orientamento e rotazione della punta dell’ala, spingendo l’aria all’indietro e garantendo una progressione costante in avanti.

Questo comportamento è estremamente raro negli uccelli ed era stato precedentemente riscontrato quasi esclusivamente nella meccanica di volo dei pipistrelli, dei colibrì e di alcuni insetti.

Per quale motivo il succiacapre adotta questa tecnica? La risposta risiede nella sua anatomia. Avendo ali molto lunghe rispetto al corpo, ripiegarle completamente durante la fase ascendente richiederebbe un movimento troppo rapido ed energicamente dispendioso, creando turbolenze dannose. Mantenendo l’ala estesa (un alto rapporto di apertura alare o span ratio), l’unica soluzione aerodinamica per non perdere quota o frenare è quella di inclinare l’ala e farle generare spinta attiva anche mentre sale.

Un’ispirazione fondamentale per la robotica e i droni del futuro

Comprendere come gli animali risolvono questi dilemmi di progettazione aerodinamica non è soltanto una conquista della biologia pura, ma rappresenta una miniera d’oro per l’ingegneria moderna e la bionica.

Attualmente, i progettisti di droni a battito d’ali (i cosiddetti ornitotteri) devono affrontare sfide meccaniche enormi. Costruire snodi artificiali capaci di piegare e ripiegare le ali in frazioni di secondo, come fa un piccolo passeriforme, richiede motori complessi, pesanti e facili a rompersi.

I succiacapre mostrano che è possibile mantenere l’ala quasi completamente distesa durante l’intero battito e ottenere comunque una spinta efficiente, sfruttando la torsione e la dinamica dei fluidi. Questa scoperta offre agli ingegneri un nuovo modello aerodinamico per realizzare velivoli robotici più semplici, resistenti ed efficienti, capaci sia di sfrecciare a grandi velocità sia di effettuare manovre di precisione in spazi stretti per operazioni di soccorso o monitoraggio ambientale.

Approfondimenti tecnici e analisi aerodinamica quantitativa dal report scientifico

Per chi desidera analizzare nel dettaglio le evidenze quantitative ed esperimentali raccolte nel corso della ricerca condotta presso l’Università di Lund, di seguito sono riportati i dati tecnici, le grandezze fisiche e le equazioni aerodinamiche estratte dallo studio originale.

Metodologia sperimentale e strumentazione di misura

L’indagine è stata condotta su esemplari adulti di succiacapre europeo (Caprimulgus europaeus), di massa corporea media pari a $71 \text{ g} \pm 11.7 \text{ g}$. Gli uccelli sono stati fatti volare all’interno di una galleria del vento a ricircolo a basso livello di turbolenza, coprendo un intervallo di velocità dell’aria ($U_{\infty}$) compreso tra $2.6 \text{ m/s}$ e $11 \text{ m/s}$.

La tracciatura cinematica tridimensionale è stata eseguita con due telecamere ad alta velocità sincronizzate e l’ausilio della rete neurale DeepLabCut su 17 punti anatomici (tra cui giunto del polso, margine d’attacco, retrici e apici delle tre remiganti primarie più esterne).

L’analisi dei campi di moto nella scia è stata realizzata mediante Velocimetria a Immagini di Particelle Stereoscopica (sPIV) a una frequenza di campionamento $f_s = 640 \text{ Hz}$.

Equazioni aerodinamiche e calcolo delle forze dalla scia

La forza verticale di sostentamento ($F_v$), ovvero il supporto del peso, è stata determinata integrando la componente di vorticità lungo l’asse del flusso ($\omega_x$) sull’area della scia:

dove $\rho$ rappresenta la densità dell’aria e $(y – y_0)$ è la distanza orizzontale dal centro della scia.

La spinta netta orizzontale ($T$) è stata calcolata mediante il bilancio delle componenti di vorticità trasversale ($\omega_y$) e verticale ($\omega_z$):

La potenza aerodinamica ($P$) trasferita all’aria è stata ricavata dal tasso di energia cinetica ($E$) immessa nella scia:

dove $u, v, w$ sono le velocità indotte nelle tre direzioni spaziali, $N_{wb}$ è il numero di battiti analizzati e $f$ è la frequenza del battito alare.

Fenomenologia dei vortici e caduta dell’efficienza ad alta velocità

Le misurazioni sPIV hanno rivelato due caratteristiche aerodinamiche chiave:

• Doppio vortice d’estremità (Double Tip Vortices): A velocità di crociera ($U_{\infty} \ge 7 \text{ m/s}$), la scia presenta due distinti vortici d’estremità con lo stesso segno di rotazione per ciascuna ala. Questo fenomeno deriva dalla geometria frastagliata dell’apice alare (scanalatura delle remiganti primarie) e dimostra una deviazione marcata dalla distribuzione ellittica ideale della portanza.

• Vortici inversi durante l’upstroke: Durante la seconda metà della fase ascendente, la porzione esterna dell’ala genera anelli di vorticità invertiti associati a un flusso indotto diretto verso l’esterno e all’indietro, confermando la generazione attiva di spinta.

L’efficienza d’apertura alare o Span Efficiency ($e_i$), misurata durante la fase discendente, mostra un valore medio di 0.72 a basse velocità, ma subisce un decadimento sistematico all’aumentare della velocità di crociera secondo il modello:

L’efficienza della forza verticale ($e_{iFv}$), che isola il sostentamento del peso rispetto alle forze parassite laterali, si attesta su valori ancora più bassi (circa 0.45), confermando che ad alte velocità la generazione di portanza diventa aerodinamicamente costosa.

Parametri cinematici e variazioni in funzione della velocità

L’adattamento del volo alle diverse velocità è controllato da precisi aggiustamenti cinematici del corpo e delle ali:

• Inclinazione del corpo (Body Tilt Angle): Passando dal volo lento a quello veloce, l’inclinazione del corpo rispetto all’orizzontale varia da oltre $40^\circ$ fino a $10^\circ$, seguendo la funzione quadratica:

  $$\text{Body Tilt} = 55.1 – 8.29 U_{\infty} + 0.422 U_{\infty}^2$$

   

• Inclinazione del piano di battuto (Stroke Plane Angle): Il piano di battito varia in modo complementare, diventando più verticale alle alte velocità (da $30^\circ$ a $80^\circ$):

  $$\text{Stroke Plane Angle} = 11.3 + 12.5 U_{\infty} – 0.562 U_{\infty}^2$$

   

• Velocità angolare della fase discendente: Risulta minima attorno ai $6.7 \text{ m/s}$, descrivendo una curva ad U tipica dei costi energetici muscolari:

  $$\text{AngVel} = 2235 – 291 U_{\infty} + 21.8 U_{\infty}^2$$

   

• Span Ratio costante ed elevato: A differenza di molti passeriformi che ripiegano le ali fino al $40\% – 50\%$ dell’apertura totale durante l’upstroke, il succiacapre mantiene un rapporto di apertura alare eccezionalmente alto, pari a circa l’$80\%$ a tutte le velocità. Questo valore è comparabile solo a quello dei rondoni e dei colibrì, ed è il fattore cinematico primario che impone la generazione di spinta durante la fase ascendente per evitare fenomeni di stallo brusco o resistenza eccessiva.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Il succiacapre europeo (Caprimulgus europaeus) è un migratore a lunga distanza che utilizza anche il volo lento e stazionario come parte della sua ecologia alimentare. Ciò riflette complessi compromessi nei meccanismi aerodinamici e rende particolarmente interessanti gli studi sulle sue prestazioni di volo, in relazione alla forma delle sue ali. In questo studio, utilizzando la visualizzazione della scia e misurazioni aerodinamiche di succiacapre in volo in una galleria del vento, riveliamo un fenomeno unico di vortice a doppia estremità a velocità di crociera. Questo fenomeno è correlato a una ridotta efficienza dell’apertura alare a queste velocità di volo, suggerendo costi relativamente elevati per la generazione di portanza. La nostra interpretazione è che la forma ampia e fessurata dell’estremità alare del succiacapre favorisca la portanza durante il volo lento, pur comportando una ridotta efficienza aerodinamica a velocità più elevate. Inoltre, abbiamo riscontrato la generazione di spinta ascendente dell’ala esterna durante il volo di crociera, una caratteristica precedentemente attribuita a pipistrelli e colibrì, anche nei succiacapre. Ciò mette in discussione un paradigma esistente che considera la spinta ascendente attiva principalmente come un fattore di supporto del peso negli uccelli. La nostra analisi cinematica suggerisce che questo fenomeno potrebbe derivare da vincoli sulla chiusura delle ali durante la fase ascendente del battito, un aspetto che potrebbe essere rilevante in generale per il volo battente. I nostri risultati evidenziano i compromessi osservati negli animali impegnati in molteplici comportamenti dispendiosi con diversi criteri di ottimizzazione aerodinamica basati su esigenze ecologiche e offrono potenziali soluzioni applicabili nell’ingegneria bioispirata.

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