Il battito d'ali reinventato dalla zanzara / The beating of wings reinvented by the mosquito.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Modellizzazione al computer della zanzara della specie Culex quinquefasciatus: in verde sono visualizzati i vortici lungo il bodo di uscita dell'ala che producono una pressione molto bassa sul dorso dell'ala (in blu)(Credit: Bomphrey/Nakata/Phillips/Walker)

Computer modeling of the Culex quinquefasciatus mosquito species: in green are displayed vortices along the wing bodo of output they produce a very low pressure on the top of the wing (in blue)

Una complessa modellizzazione al computer dei flussi d'aria mossi durante il volo ha dimostrato che per sostenersi in aria le zanzare usano fenomeni aerodinamici peculiari che non hanno paragoni nel mondo degli insetti, sfruttando anche la rotazione dell'ala e recuperando parte dell'energia dispersa nel battito d'ala precedente.

Un piccolo capolavoro d'ingegneria aeronautica: potrebbe essere descritto così l'apparato di volo della zanzara comune stando ai risultati di un nuovo studio pubblicato su “Nature” da Richard Bomphrey e colleghi.

Grazie a una serie di tecnologie video per la cattura del movimento, i ricercatori sono riusciti infatti a modellizzare il battito d'ali e a capire come generano portanza, in un modo assolutamente peculiare.

Alcune ricerche condotte in passato avevano già rilevato nella zanzara caratteristiche fuori dal comune. Le sue ali lunghe e sottili  battono a una frequenza elevatissima: circa 800 colpi al secondo, vale a dire quattro volte più rapidamente rispetto a insetti di dimensioni paragonabili. E nel loro movimento “spazzano” un angolo di soli 40 gradi, cioè meno della metà rispetto all'ape.

Quanto basta per far nascere nella mente degli entomologi molti dubbi su come possano effettivamente stare in aria questi insetti, perché la loro tecnica di volo sembra distante da quella di tutti gli altri.

Ma per capire qualcosa di più del volo della zanzara bisogna sapere qualche nozione di base di aerodinamica. La prima riguarda la portanza, cioè la spinta verso l'alto che sostiene nel volo. A generarla sono i flussi d'aria sul profilo alare: se fende l'aria sotto un angolo opportuno, chiamato angolo d'attacco, sulla superficie superiore dell'ala si crea una depressione, mentre su quella inferiore una pressione. L'interazione tra le due determina una spinta diretta grosso modo verso l'alto, che è quella che sostiene nel volo.

Questo è ciò che succede nel caso dell'ala fissa, come quella dei velivoli. Nel caso dell'ala battente, come quella di tutti gli animali che volano, la faccenda si complica.

Nel caso degli insetti, studi sperimentali e modelli teorici degli ultimi decenni sono riusciti a stabilire che tutte le specie, dai moscerini della frutta ai lepidotteri, sfruttano due particolari effetti aerodinamici per migliorare la spinta durante la traslazione, cioè il principale movimento dell'ala. Entrambi sono dovuto alla formazione di vortici: uno in corrispondenza del bordo di attacco, e il secondo in corrispondenza del bordo di uscita. La differenza di pressione generata da questi due processi aumenta la portanza.

Ora, il problema è che nel caso della zanzara la traslazione è molto breve, ed è quindi improbabile che possa sfruttare a fondo questi due meccanismi. Inoltre, l'ala compie anche un movimento rotatorio, ed è quindi probabile che entrino in gioco ulteriori fenomeni aerodinamici.

Per verificarlo, Bomphrey e colleghi hanno usato otto videocamere con otturatori ad alta velocità per raccogliere immagini a 10.000 fotogrammi al secondo del battito d'ali di alcuni esemplari della specie Culex quinquefasciatus, una zanzara diffusa nelle zone tropicali e subtropicali, e hanno poi analizzato le immagini ottenute, modellizzando i flussi d'aria coinvolti in tre dimensioni.

Dalle simulazioni al computer, gli autori hanno identificato altri due meccanismi grazie ai quali viene generata la portanza nelle ali di zanzara: il trascinamento rotazionale e la cattura della scia.

Un'altra immagine dei vortici (in rosso) che si creano lungo i bordi di uscita delle ali della zanzara (Credit: Bomphrey/Nakata/Phillips/Walker)
Another image of the vortices (in red) that are created along the trailing edges of the wings of the mosquito

ll primo meccanismo si deve al fatto che l'ala inizia a ruotare intorno al bordo d'attacco di un colpo dl'ala traslazionale in avanti, spingendo l'aria verso il basso. Viene così generata una pressione negativa sul dorso dell'ala, e quindi una spinta verso l'alto. Il secondo meccanismo invece si basa sul fatto che, alla fine di ogni traslazione, il bordo di uscita dell'ala incontra la scia dell'aria mossa nel colpo d'ala precedente. Il movimento rispetto all'aria genera così un vortice di bordo di uscita, che ha al suo centro una regione di pressione fortemente negativa che aumenta la portanza durante l'inversione del battito d'ala.

In sintesi, i dati indicano che la peculiare dinamica del battito d'ala della zanzara fa sì che per brevi periodi il peso dell'insetto sia supportato dal movimento di rotazione dell'ala. Grazie alla cattura della scia, inoltre, l'insetto guadagna portanza extra recuperando parte dell'energia persa nel precedente colpo d'ala.

Lette le conclusioni dello studio, s'impone una domanda: perché la zanzara ha evoluto una dinamica di volo così complessa rispetto a quello degli altri insetti? Gli autori non possono che avanzare un'ipotesi speculativa: il maggiore sforzo richiesto per un battito d'ali così frequente potrebbe essere compensato da altri vantaggi adattativi, probabilmente nell'ambito della comunicazione acustica.

ENGLISH

A complex computer modeling airflow moved during the flight showed that to sustain itself in the air mosquitoes use specific aerodynamic phenomena that are unmatched in the world of insects, also exploiting the wing rotation and recovering part of dispersed energy in the previous flapping.

A small masterpiece of aeronautical engineering: it could be described as the flight apparatus of the common mosquito according to the results of a new study published in "Nature" by Richard Bomphrey and colleagues.

Thanks to a series of video technologies for motion capture, the researchers were able to model the fact flutter and figure out how to generate lift, in a most peculiar way.

Research conducted in the past had already been detected in the mosquito characteristics out of the ordinary. His long, thin wings beating at a very high rate: about 800 shots per second, which is four times faster than insects of comparable size. And in their movement "sweep" an angle of only 40 degrees, which is less than half of the bee.

Just enough to give birth in the minds of entomologists many doubts about how they can actually stay in the air these insects, because their flight technique seems distant from that of all others.

But to understand something more of the mosquito flight you have to know a few basic notions of aerodynamics. The first concerns the lift, ie, the upward thrust that sustains in flight. To generate it are the airflows on the airfoil: if cleaves the air under a suitable angle, called the angle of attack, on the upper surface of the wing creates a depression, while on the lower pressure. The interaction between the two determines a thrust directed roughly upwards, that is the one that supports in flight.

This is what happens if fixed wing, like that of the aircraft. In the case of the wing swing, like that of all the animals that fly, the matter is complicated.

In the case of insects, experimental studies and theoretical models of the last decades they have been able to establish that all species, from fruit flies to lepidopteran, exploiting two particular aerodynamic effects to improve the thrust during travel, ie the main wing movement. Both are due to the formation of vortices: one in correspondence with the edge of attack, and the second in correspondence with the trailing edge. The pressure difference generated by these two processes increases the lift.

Now, the problem is that in the case of mosquito the translational motion is very short, and is therefore unlikely to take full advantage of these two mechanisms. In addition, the wing also performs a rotational movement, and is therefore likely to come into play more aerodynamic phenomena.

To verify this, Bomphrey and colleagues have used eight cameras with high-speed shutters to collect images at 10,000 frames per second of the beating of wings of some specimens of Culex quinquefasciatus species, a mosquito widespread in tropical and subtropical areas, and then analyzed the images obtained, by modeling the flows of air involved in three dimensions.


From the computer simulations, the authors have identified two other mechanisms by which the lift force is generated in the mosquito wings: the rotational entrainment and the capture of the wake.


The first mechanism is due to the fact that the wing starts to rotate around the leading edge of a blow dl'ala translational forward, pushing the air downwards. This generates a negative pressure on the top of the wing, and therefore an upward thrust. The second mechanism is based instead on the fact that, at the end of each traverse, the trailing edge of the air meets the wake move in the shot of the previous wing. The movement in respect of air so generates a trailing edge vortex, which has at its center a strongly negative pressure region which increases the lift during the inversion of the flapping.

In summary, the data indicate that the peculiar dynamics of the flapping of the mosquito causes for short periods the insect's weight is supported by the rotational movement of the wing. Thanks to the capture of the wake, also the insect gains extra lift recovering some of the energy lost in the previous wing beat.


Having read the conclusions of the study, it sits a question: why the mosquito has evolved a complex flight dynamics as compared to that of other insects? Authors can only advance a speculative hypothesis: the increased effort required for the beating of wings so common could be offset by other adaptive advantages, probably in the context of acoustic communication.


Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/03/29/news/aerodinamica_ali_zanzara-3474139/