Effetto Coandă: come un getto d'aria si aggrappa a una superficie curva (e fa volare gli aerei)

Avvicinate il dorso di un cucchiaio al filo d'acqua del rubinetto. Invece di essere respinto, il cucchiaio viene tirato dentro il getto e l'acqua, prima di cadere giù, lo aggira disegnando una curva netta. È una delle dimostrazioni più semplici di un principio fluidodinamico controintuitivo: un fluido in movimento tende ad aderire alle superfici vicine, anche quando queste si allontanano dalla traiettoria iniziale. Si chiama effetto Coandă e porta il nome di un ingegnere romeno che lo osservò per caso ai banchi di prova di un aviogetto sperimentale, nell'autunno del 1910.

Il volo (e il quasi-disastro) del Coandă-1910

Henri Marie Coandă, nato a Bucarest nel 1886, si era laureato in cima alla prima classe di ingegneri aeronautici di Parigi. Quello stesso anno, nell'officina di Gianni Caproni, aveva costruito un aereo sperimentale che mostrò al secondo Salon de l'Aéronautique. L'aereo, ricorda la voce Wikipedia dedicata all'ingegnere, era spinto da un motore a pistoni che azionava una turbina: un primissimo concetto di propulsione a getto a freddo. Durante una prova a terra, Coandă notò che le fiamme uscite dagli scarichi laterali, invece di staccarsi nettamente, si curvavano e leccavano la fusoliera in legno, rischiando di incendiarla. Stava osservando, senza saperlo ancora, un fenomeno mai descritto.

Lo studio sistematico arrivò molto più tardi. Nel 1934 Coandă ottenne in Francia un brevetto per «un metodo e un apparecchio per la deviazione di un fluido in un altro fluido», e nel 1936 due nuovi brevetti citarono esplicitamente quello che il fisico Theodore von Kármán battezzò ufficialmente «effetto Coandă» in un articolo di rassegna pubblicato sulla rivista Applied Mechanics. La voce Wikipedia che riassume la letteratura sul fenomeno ne fa partire la storia ufficiale proprio dalla data del riconoscimento.

Cosa succede davvero al getto

Quando un fluido in pressione esce da una fessura affacciata a una parete (anche curva), accelera. Per il principio di Bernoulli accelerazione significa pressione locale più bassa: la pressione ambientale «di fuori» è ora maggiore di quella «di dentro», e tende a spingere il filetto fluido verso la parete. Inoltre, il getto trascina con sé l'aria immediatamente vicina (entrainment): se la parete è lì, l'aria che dovrebbe rifornire il getto manca, si crea una depressione e il filetto si piega aderendo alla superficie. Continua a seguirla finché la curvatura non diventa troppo brusca o la viscosità non lo decelera: a quel punto il flusso si stacca.

Il risultato è spettacolare: un getto rettilineo può essere piegato di novanta gradi semplicemente «appoggiandolo» a un profilo curvo. Nessuna pala, nessun deflettore meccanico. È il motivo per cui l'esperimento del cucchiaio sotto al rubinetto funziona anche con un palloncino, una pallina da ping-pong tenuta sospesa da un asciugacapelli, o un foglio di carta che si solleva quando ci soffiamo sopra.

Gli aerei che decollavano in 300 metri

L'applicazione più audace dell'effetto Coandă fu il Boeing YC-14, prototipo militare degli anni Settanta progettato per l'Advanced Medium STOL Transport program dell'Air Force statunitense. I due turbofan erano collocati sopra il bordo d'attacco delle ali: il flusso di scarico, deviato dai flap, restava attaccato all'estradosso e generava un'enorme portanza supplementare a bassa velocità. L'YC-14 era in grado di decollare in poco più di 300 metri con 12 tonnellate di carico. Il principio, chiamato upper-surface blowing, fu poi ripreso dal Quiet Short-Haul Research Aircraft della NASA e dal velivolo giapponese Asuka del National Aerospace Laboratory.

Ventilatori senza pale, formula 1 e camini

Negli oggetti che ci circondano l'effetto Coandă è ovunque. I ventilatori senza pale di James Dyson sono in realtà piccole turbine nascoste nel piedistallo che spingono aria attraverso una fessura sottile sul retro dell'anello: il flusso, in uscita, aderisce al profilo aerodinamico dell'anello, accelera, e nel suo movimento trascina dietro di sé volumi d'aria fino a quindici volte maggiori. Lo descrive senza ambiguità la stessa letteratura tecnica: il Dyson Air Multiplier è un caso da manuale.

In Formula 1 il fenomeno è entrato nelle carrozzerie a partire dagli anni Duemiladieci, quando i team scoprirono che convogliando i gas di scarico contro fiancate sagomate si poteva aumentare il carico aerodinamico sulle ruote posteriori. Lo «scarico Coandă» fu uno dei dettagli più copiati del 2012, poi vietato dalla FIA. In edilizia, infine, i camini con cappello inclinato sfruttano lo stesso principio per evitare ritorni di fumo, e i sistemi di climatizzazione a soffitto di alcuni grandi magazzini canalizzano l'aria fredda lungo le travi grazie all'aderenza Coandă, senza bisogno di condotti aggiuntivi.

Quando il principio si spezza

L'effetto non funziona sempre. Se la superficie curva ha un raggio troppo piccolo rispetto alla velocità del getto, il flusso si distacca bruscamente e si genera una scia turbolenta. Se la curvatura è eccessiva e il fluido è troppo viscoso, la transizione al regime turbolento avviene prima. È esattamente il limite che gli ingegneri aerospaziali progettano: nei sistemi di controllo della portanza, l'aderenza Coandă si attiva solo entro intervalli precisi di angolo di incidenza, e oltre quella soglia il velivolo perde portanza in modo controllato. La rivista Annual Review of Fluid Mechanics ha pubblicato negli anni più di cinquanta studi dedicati alla stabilità del Coandă attached jet: è uno dei campi più attivi della fluidodinamica computazionale contemporanea.

Henri Coandă morì a Bucarest nel 1972 con oltre 250 brevetti depositati. Il principale aeroporto di Bucarest porta oggi il suo nome. Eppure il suo lascito più riconoscibile non è nella memoria istituzionale, ma in un gesto quotidiano: ogni volta che mescoliamo il caffè con un cucchiaino e l'acqua del rubinetto, prima di scendere nello scarico, si aggrappa al metallo curvo come se ci tenesse, stiamo guardando lo stesso fenomeno che, quel pomeriggio del 1910, stava per incendiare un aereo a Parigi.