Futurismo del siglo XV: el famoso diseño del helicóptero de Leonardo da Vinci finalmente despega

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Hace más de cinco siglos, el genio italiano Leonardo da Vinci entintó los planos de una máquina voladora humana, ahora conocida como el helicóptero de da Vinci. Entre sus diversas ideas, incluido un códice completo sobre el vuelo, este concepto es icónico. Evidencia claramente un dispositivo flotante, 400 años antes de que apareciera el primer helicóptero.





Ciertamente este no es el helicóptero tal como lo conocemos, propulsado por palas de rotor planas que actúan como alas de avión.

El famoso boceto describe una hoja vertical con forma de tornillo que gira en espiral alrededor de su eje central, una variación de la forma de hélice que se hizo famosa por las moléculas de ADN. ¿Cómo funciona?





Piensa en la acción de la hélice de un barco sobre el agua. La rotación de las aspas empuja el agua y la tercera ley de Isaac Newton describe el empuje hacia adelante del barco. De manera similar, el tornillo aéreo de Leonardo empuja el aire hacia abajo, impulsando su nave hacia arriba. Si la rotación del tornillo se puede lograr a una velocidad lo suficientemente rápida como para desplazar aire de más masa que la nave, la nave se eleva en el aire.

El diseño es fundamentalmente sólido.

Helicóptero de Da Vinci en tierra

Lo que le faltaba a da Vinci eran los materiales modernos necesarios para construir una hoja liviana y duradera. Describió el tornillo helicoidal como hecho de lino, con los poros tapados con almidón.





También carecía de la fuerza motriz continua para tal máquina. Los hombres que giran manivelas nunca podrían soñar con volar: son demasiado pesados ​​y demasiado débiles para producir suficiente energía para levantarse. El cóndor andino es un ave que crece hasta alcanzar aproximadamente el tamaño de un hombre: más de un metro de alto con una envergadura que supera los 3 metros. El cóndor trabaja muy duro para despegar, ¡y solo pesa alrededor de 12 kilogramos!

Consciente de esta limitación, da Vinci imaginó un resorte, enrollado por las manivelas, acumulando y almacenando energía. Esa energía acumulada podría liberarse en un estallido de desenrollado rápido, haciendo girar el rotor de tornillo. Pero hasta donde sabemos, tal dispositivo nunca se construyó.

Tornillo Aéreo
El artista e inventor Leonardo da Vinci dibujó este diseño de tornillo aéreo a fines de la década de 1480.

¿Podría despegar alguna vez el invento de Leonardo en su forma original? 

Es difícil estar seguro, pero varios factores hacen que parezca poco probable.

Primero, el débil tornillo de tela tendría dificultades para soportar la presión del aire mientras gira.

En segundo lugar, el resorte debe ser muy poderoso para girar el tornillo y probablemente solo contenga suficiente energía potencial para un número modesto de rotaciones. Peor aún, algunos de estos se desperdiciarán en giros lentos mientras la hélice lucha por alcanzar la velocidad.

En tercer lugar, el eje de apoyo de madera debe ser lo suficientemente fuerte para soportar el par de torsión del tornillo que empuja el aire y, al mismo tiempo, razonablemente ligero.

Además, el peso de los hombres a bordo aumenta la lucha. Los aviones modernos dependen del combustible de aluminio e hidrocarburo para proporcionar mucha más fuerza y ​​energía por kilogramo para lograr un vuelo sostenido con pasajeros.

En los últimos años, hemos visto una revolución en los pequeños aviones flotantes. Los diminutos motores e instrumentos permiten que los drones de peso pluma vuelen con cantidades modestas de carga eléctrica almacenada en celdas de baterías químicas. Las tensiones estructurales son lo suficientemente pequeñas como para ser soportadas por marcos de metal ligero o incluso de plástico. ¿Podría esta tecnología ofrecer una plataforma para reinventar el tornillo de da Vinci?

El helicóptero de Da Vinci despega

En 2020, un equipo de estudiantes de ingeniería realizó un estudio muy detallado de la aerodinámica y otros factores prácticos necesarios para que el helicóptero da Vinci logre el despegue. Descubrieron que el sistema de tornillo, con numerosas modificaciones, podría agregarse a un dron moderno que de hecho podría volar.

Las pruebas de formas de alas impresas en 3D y simulaciones de mecánica de fluidos revelaron que los diseños de tornillos particulares producían un mejor empuje hacia arriba.

El diseño del siglo XV muestra un tornillo ancho (radio grande) con una altura (paso) que aumenta gradualmente. El estudio mostró que una gran relación entre el paso y el radio producía el mayor empuje, es decir, un tornillo relativamente estrecho con una hoja que se elevaba rápidamente.

El cambio de radio con la altura (taper) puede tener un efecto drástico. Un tornillo que se vuelve más angosto de abajo hacia arriba es el mejor volante, posiblemente porque puede ganar más empuje con una segunda vuelta del tornillo, mientras que un tornillo no cónico pierde empuje cuando se construye con varias vueltas apiladas.

La construcción y los materiales de la hoja también se pueden modernizar. El mejor material para la hoja es una lámina de polímero conocida como Dacron. Los cálculos minimizaron el número y la posición de los largueros horizontales de fibra de carbono sobre los que se estira y ancla la pala. El eje de apoyo vertical al que se unen los largueros está hecho de aluminio, capaz de mantener el mejor compromiso de diámetro del tubo, ancho del tubo, resistencia y capacidad para montar los largueros.

Los ingenieros también propusieron modificaciones salvajes, como pequeños pesos de tungsteno suspendidos en brazos de fibra de carbono, sintonizados para resonar y absorber los modos de vibración inherentes al tornillo. (Algunos de los detalles más complejos y costosos del diseño se sacrificaron por la eficiencia en el primer prototipo del equipo hecho a mano).

Para realizar un vuelo de prueba, los ingenieros reemplazaron las hélices de un dron con palas de tornillo de plástico rojo hechas según sus cálculos basados ​​en el diseño de da Vinci. ¿Y funcionó? ¡Sí!, mira el vídeo a continuación:

Uno de los estudiantes que trabajaba en el proyecto dijo que estaba «absolutamente sorprendido» y que «debería poder ampliarse bastante bien».

El Crimson Spin es una hermosa demostración de cómo la ingeniería y la tecnología modernas pueden unirse con el sueño inventivo atemporal para producir una maravillosa demostración del ingenio humano.

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