La fisica del volo di un quadricottero: come sta in aria e come si muove

Un quadricottero sta in aria perché le sue eliche accelerano aria verso il basso e ricevono in cambio una spinta verso l'alto. In volo stazionario la somma delle quattro spinte eguaglia il peso. Tutto il resto, salire, avanzare e ruotare, si ottiene variando la velocità dei singoli motori, perché un multirotore non ha nessuna superficie mobile di controllo. Capire questo meccanismo spiega quasi tutti i comportamenti che da pilota ti sembrano strani.

Spinta, coppia e contro-rotazione

Ogni elica che gira applica al telaio una coppia di reazione nel verso opposto alla propria rotazione. Se le quattro eliche girassero tutte nello stesso senso, il drone ruoterebbe su sé stesso in modo incontrollabile. La soluzione è farne girare due in senso orario e due in senso antiorario, disposte in diagonale: in hovering le coppie si annullano.

Da qui derivano i quattro comandi.

Il punto che vale la pena fissare: l'imbardata non è generata da una spinta laterale, ma dallo squilibrio delle coppie di reazione. È per questo che ruotare è sempre più lento e "molle" che beccheggiare. Ed è per questo che la perdita di un motore su un quadricottero è irrecuperabile: si perde nello stesso istante spinta e bilanciamento delle coppie. Le configurazioni con sei o otto motori nascono proprio da questo limite, come spiega la guida sulle tipologie di droni.

Perché volare veloce costa così tanto

Senza superfici di controllo, per spostarsi il drone deve inclinarsi: solo così una componente del vettore di spinta diventa orizzontale. Ma inclinandosi riduce la spinta verticale disponibile, che scala con il coseno dell'angolo. A 45° di inclinazione il drone deve produrre circa il 41% di spinta in più solo per non perdere quota.

Il consumo cresce quindi in modo non lineare con la velocità. È la ragione per cui una missione fatta di trasferimenti veloci e frenate brusche consuma molto più di una missione fatta di traiettorie regolari, a parità di distanza percorsa. Il conto energetico è sviluppato nella guida sull'autonomia reale del drone.

Effetto suolo: i primi cinquanta centimetri

Entro circa mezzo diametro d'elica dal terreno, e in modo ancora percepibile entro un diametro, l'aria spinta verso il basso non può espandersi liberamente. Si forma un cuscino a pressione più alta che aumenta la portanza a parità di potenza.

Conseguenze pratiche:

• Il decollo è più facile e il consumo minore nei primi istanti; poi il drone diventa improvvisamente più "pesante".
• In atterraggio il mezzo galleggia e resiste alla discesa negli ultimi centimetri: da qui gli atterraggi manuali molli e imprecisi.
• Vicino a un bordo, un tetto o un muretto, l'effetto suolo è asimmetrico e genera una tendenza a scivolare di lato. È una delle cause più frequenti di ribaltamento in decollo da superfici piccole.
• Su erba alta, sabbia o neve l'effetto è ridotto e il decollo più impegnativo. Sabbia e polvere sollevate sono inoltre un rischio per motori e sensori.

Un fenomeno simmetrico si osserva in traslazione: superata una certa velocità di avanzamento, le eliche incontrano aria non ancora disturbata dalla propria scia e diventano più efficienti. È il motivo per cui restare fermi in hovering è, dal punto di vista energetico, una delle cose più costose che un multirotore possa fare.

Vortex ring state: la discesa che non perdona

Il vortex ring state si verifica quando il rotore discende dentro la propria scia. L'aria appena accelerata verso il basso viene richiamata verso l'alto ai bordi delle pale e ri-aspirata, formando un anello vorticoso che distrugge la portanza.

Non serve una manovra estrema: bastano una discesa verticale rapida e una velocità orizzontale nulla o quasi. Il sintomo è un'oscillazione irregolare e violenta con perdita di quota, che l'aumento di potenza peggiora. Più potenza significa scia più intensa e vortice più forte.

I droni consumer limitano via software la velocità massima di discesa proprio per questo. Il limite può però essere superato nelle modalità sportive o disattivando le protezioni.

Vento, temperatura, quota: quando la fisica cambia le carte

Il vento agisce in tre modi. Fa derivare il drone, che deve inclinarsi controvento e quindi consumare anche stando fermo. Genera turbolenza, particolarmente violenta sottovento agli edifici, dove il flusso disturbato si estende per diverse volte l'altezza dell'ostacolo. E cresce con la quota: a 100 metri può essere il doppio che a 5. Un decollo tranquillo non dice nulla sulle condizioni là sopra. La resistenza al vento dichiarata dal costruttore è la velocità alla quale il drone riesce a mantenere la posizione, non quella alla quale è ragionevole lavorare: un margine sensato è restare entro il 60-70% di quel valore. Il tema è trattato in dettaglio nella guida su vento e turbolenza.

La temperatura agisce sulle batterie, che al freddo perdono capacità utile e sotto carico vedono crollare la tensione, e sull'elettronica, che con il caldo estremo dissipa peggio e può ridurre le prestazioni per protezione termica.

La densità dell'aria governa la spinta: in atmosfera standard cala di circa il 10% ogni 1.000 metri di quota. A 2.000 metri un drone dispone di circa l'80% della spinta disponibile al livello del mare, a parità di giri. Il concetto corretto è la quota densità: una giornata calda a 1.500 metri equivale, aerodinamicamente, a una quota ben più alta. Volare in montagna significa quindi risposta più lenta, consumo maggiore e meno margine contro le raffiche.

Fattore di carico e limiti operativi

In volo livellato la portanza eguaglia il peso: è la condizione di 1 g. In virata stretta il drone si inclina e, per mantenere quota e traiettoria, le eliche devono generare più portanza del peso. Più g significano più potenza richiesta, più consumo, più sollecitazione meccanica e meno margine prima che i motori non riescano più a fornire la spinta richiesta.

Le cause tipiche per cui un multirotore smette di sostenersi sono quattro: batteria troppo scarica per erogare i picchi di corrente, eliche danneggiate, massa al decollo superiore a quella ammessa, aria rarefatta. Tutte prevedibili, tutte evitabili con pilotaggio dolce, riserva di batteria e ispezione pre-volo, le voci raccolte nella checklist pre-volo e post-volo. Il quadro d'insieme dei componenti che rendono tutto questo possibile è nel pillar come funziona un drone.