ITPI20120089A1 - Oggetto levitante auto-stabilizzante - Google Patents

Description

Descrizione

La presente invenzione si riferisce ad un oggetto che in accordo con la rivendicazione 1, riesce a rimanere sospeso a mezz’aria senza salire o scendere sensibilmente anche al normale cambiare della densità atmosferica esterna.

Da secoli la levitazione di oggetti più pesanti dell’ aria si ottiene riempiendo gli stessi con gas meno pesanti dell’aria stessa (palloncini, dirigibili) o nel caso delle mongolfiere scaldando l’aria con dei bruciatori per renderla meno densa dell’aria circostante. Tuttavia tutti i sistemi adottati rendevano, e tuttora rendono, indispensabile l’uso di sistemi di zavorramento in quanto, non si può avere alcun controllo sulla levitazione dell’oggetto al variare alle condizioni atmosferiche esterne o al variare della quota. In definitiva il vero problema non è rendere un oggetto nel suo complesso più leggero dell’aria, ma renderlo esattamente della stessa densità dell’aria e far sì che rimanga tale anche al variare della densità atmosferica, solo in questo modo è possibile farlo restare fermo a mezz’aria, senza che salga o scenda sensibilmente.

A livello pratico, essendo la massa dell’oggetto costante e riferendoci alla ben nota legge di archimede, è necessario fare in modo che il volume dell’oggetto vari autonomamente al variare della densità dell’aria esterna. Tale variazione di volume dell’oggetto deve essere proporzionale alla variazione di densità dell’ aria atmosferica in modo tenere l' equilibrio di galleggiamento stabile. Se la densità dell’aria diminuisce rispetto al valore originale, il volume dell’oggetto deve aumentare per compensare la diminuzione della spinta di galleggiamento per unità di volume d’aria spostato. Quando la densità dell’aria aumenta, l’oggetto deve necessariamente compensare diminuendo il suo volume totale in maniera proporzionale.

In aggiunta al problema della variazione spontanea del volume dell’oggetto si deve pensare che se la superficie dello stesso non è rigida, un eventuale maneggiamento la deformerebbe e lo stesso farebbe la pressione del vento che agisce su un lato. Tali deformazioni cambierebbero il volume dell’oggetto e di conseguenza comprometterebbero il suo equilibrio di galleggiamento. In pratica la situazione migliore è quella in cui la superficie dell’oggetto sia rigida. La rigidità dell’oggetto, è apparentemente incompatibile con quanto si è detto sulla variazione del volume necessaria ad una perfetta levitazione in un’atmosfera a densità variabile.

Tutti i problemi della levitazione e dell’autoregolazione in base alla densità dell’aria esterna, senza l’uso di energia o sensori di alcun tipo, nonché la presenza di una rigidità dell’oggetto che ne permette il maneggiamento o un’esposizione a correnti di aria sono facilmente risolti nella presente invenzione.

Per realizzare un oggetto levitante che sia possibile maneggiare senza deformarlo, è necessario realizzarlo con una struttura rigida esterna della forma che più si desidera a fini commerciali.

Le figure presenti nel presente brevetto rappresentano una delle tante possibili forme che l’oggetto levitante può avere, e sono illustrate per fini esclusivamente indicativi e non limitativi delle possibilità di realizzazioni pratiche.

La figura 1 rappresenta la sezione di un oggetto levitante a forma sferica e con una sola membrana elastica.

La figura 2 rappresenta l’ingrandimento del particolare della figura 1 nel punto di aggancio tra membrana elastica e struttura rigida esterna, ed è mostrato il foro che pone in comunicazione il lato esterno della membrana elastica con l’aria esterna.

In riferimento alla possibile volontà di realizzare l’oggetto a forma sferica come nell’esempio illustrato nelle tavole, in tal caso per consentirne il funzionamento è necessario che all’interno della struttura rigida esterna sia presente almeno una membrana elastica, come indicata dal numero 2 nella tavola 1. Tale membrana elastica deve essere ancorata al lato interno della struttura rigida, e posta in comunicazione con l’aria esterna all’oggetto attraverso un foro. Il foro di comunicazione deve essere munito di una membrana filtro (indicata dal numero 3 nelle tavole) che permette all’aria ma non ai liquidi di passare, agendo quindi da filtro. Quest’ultima membrana filtro dovrebbe, per maggiore convenienza, essere inserita saldamente in un anello di gomma (indicato col numero 4 nella tavola 2) estraibile, in modo da consentire il risciacquo della membrana-filtro in caso di otturazione per sporco, ed il successivo agevole reinserimento nell’apposito alloggiamento che circonda il foro nella struttura rigida dell’oggetto.

La membrana elastica interna deve essere ancorata alla struttura rigida esterna in modo tale da rendere il volume compreso tra la struttura rigida esterna e la membrana elastica interna isolato completamente dall’ambiente esterno alla sfera. Tale ambiente interno deve essere a tenuta stagna in un ampio intervallo di condizioni ambientali a cui l’oggetto può essere esposto durante il suo normale funzionamento; questa condizione si può ottenere mediante termosaldatura o ancorando meccanicamente la membrana elastica in maniera precisa alla struttura rigida esterna, o anche incollandola con precisione attraverso colle elastiche e resistenti. La scelta fra varie tipologie di ancoraggio, che consentano di isolare perfettamente lo spazio interno ed al contempo permettano il normale funzionamento della membrana elastica, diventa di esclusiva scelta economica da parte del costruttore.

Lo spazio presente tra la struttura rigida esterna e la membrana o le membrane elastiche interne, deve essere riempito con un gas o un miscuglio di gas a bassa pressione.

Tutti i materiali impiegati devono essere impermeabili ai gas atmosferici ed eventualmente al gas o ai gas che sono presenti nello spazio interno dell’oggetto, in modo da garantire la durata della funzionalità dell’oggetto nel lungo termine.

Il volume totale di un oggetto così costruito è composto dal volume racchiuso tra la struttura rigida esterna e le membrane elastiche interne agganciate ad essa, cioè il volume occupato da gas interno più il volume stesso delle membrane e della struttura rigida. Nel caso dell’ esempio dell’oggetto sferico rappresentato nelle tavole, il volume è quello rinchiuso tra la superficie esterna della sfera e la superficie esterna della membrana elastica. Il volume che sta sul lato esterno della membrana elastica interna non appartiene all’oggetto anche se risulta circondato dalle varie strutture. Osservando quindi l’oggetto dall’esterno il volume totale è all’apparenza costante nonché più grande di quello reale.

Il principio di funzionamento dell’oggetto si basa sull’azione congiunta della membrana, o delle membrane, e del gas interno all’oggetto. In oggetti costruiti in tal modo le membrane elastiche (indicata con 2 nelle tavole) sono soggette dal lato che si affaccia verso l’apertura esterna (indicata con 3 nelle tavole) alla pressione atmosferica e dal lato che si affaccia all’ interno alla pressione esercitata dal gas o dal miscuglio di gas interno. La situazione di equilibrio meccanico si raggiunge quando la somma della pressione del gas interno e quella di richiamo elastico della membrana elastica si equivalgono alla forza esercitata sulla stessa membrana dalla pressione atmosferica.

Com’è risaputo dalle leggi della fisica, la densità dell’aria è funzione sia della temperatura sia della pressione atmosferica, entrambe soggette a discrete oscillazioni in base alle condizioni atmosferiche. Quando la pressione atmosferica esterna aumenta e la temperatura dell’aria rimane costante, avviene, per la ben nota legge dei gas, che la densità dell’aria aumenta e di conseguenza aumenta anche la spinta di archimede per unità di volume spostato da un oggetto immerso nell’aria; ma l’aumento di pressione oltre a rendere l’aria più densa fa dilatare la membrana elastica a causa del fatto che non si verifica un equivalente aumento della pressione del gas interno all’oggetto. In definitiva viene a crearsi una nuova situazione di equilibrio tra la forza del gas interno a bassa pressione, che viene parzialmente compresso dalla membrana o delle varie membrane che si dilatano, e la forza elastica di richiamo della membrana elastica stessa. In questa situazione il volume totale dell’oggetto diminuisce a causa della dilatazione della membrana o delle membrane interne, ne consegue che se tali variazioni di volume sono ben tarate dal costruttore in base ai materiali utilizzati, la diminuzione del volume dell’oggetto compensa l’aumento della spinta di archimede generatosi a causa dell’aumento di pressione, e l’oggetto continua a rimanere fermo a mezz’aria. Il fenomeno uguale ma opposto avviene nel caso in cui la pressione atmosferica diminuisca e la temperatura dell’aria rimanga costante, in tal caso la forza di richiamo elastico della membrana e la pressione del gas interno, non essendo più perfettamente bilanciate dalla pressione atmosferica esterna fanno diminuire la dilatazione della membrana o delle membrane elastiche e di conseguenza fanno aumentare il volume dell’oggetto, mantenendo una situazione di equilibrio.

Se la temperatura dell’ aria aumenta, e la pressione atmosferica rimane costante allora, sempre secondo la ben nota legge dei gas, la densità dell’aria diminuisce e lo stesso accade per la spinta di archimede; ma l’aumento della temperatura fa aumentare anche la pressione del gas posto all'i dell’oggetto, che si dilata esercitando di conseguenza una maggiore forza sulla membrana o sulle membrane elastiche costringendole a ridurre la loro dilatazione per ripristinare l’equilibrio. In questo modo il volume dell’oggetto aumenta e tale aumento di volume se ben tarato, controbilancia la diminuzione della spinta di archimede facendo in modo che l’oggetto conservi il suo equilibrio statico rimanendo fermo a mezz’aria. Nel caso opposto in cui la temperatura dell’aria diminuisce e la pressione atmosferica esterna rimane costante, il gas interno si contrae, costringendo la membrana a dilatarsi per ripristinare l’equilibrio meccanico con la forza esercitata dalla pressione dell’aria esterna, che è rimasta immutata, ne consegue che il volume dell’oggetto diminuisce controbilanciando anche in questo caso l’aumento della densità dell’aria esterna.

In definitiva in oggetti costruiti nel modo indicato, l’effetto delle membrane elastiche e del gas interno controbilanciano rispettivamente le variazioni di pressione e le variazioni di temperatura esterne, che vanno a modificare la densità dell’aria ambientale.

Dal punto di vista costruttivo per poter realizzare tali oggetti è necessario tenere in considerazione le variazioni di elasticità delle membrane con lo stiramento e con la temperatura, quindi molta attenzione va posta nella scelta dei materiali. Tuttavia è possibile bilanciare le variazioni della forza elastica al variare dello stiramento, scegliendo se necessario di porre non una ma tante membrane più piccole quante sono necessarie per far operare le stesse nel maggior regime di linearità elastica possibile, ed ovviamente ad ogni membrana corrisponde un’apertura (indicata con 3 nelle tavole). In definitiva il numero e le dimensioni delle membrane elastiche interne, dipendono dal tipo di materiale che si è scelto e va tarato in rapporto al gas che è presente all’ interno dell’oggetto, nonché alle dimensioni e forma di quest’ultimo. Inoltre se le necessità di tipo economico o costruttivo lo richiedono è possibile, con gli opportuni accorgimenti, usare nella costruzione del medesimo oggetto più membrane, le quali possono essere costituite da materiali diversi le une dalle altre, in modo da riuscire a tarare nella maniera più accurata possibile il rapporto di funzionamento tra membrane e gas interno.

All’atto della progettazione e della costruzione di tali oggetti, il costruttore non si deve preoccupare di bilanciare perfettamente il sistema tra membrane e gas, in modo tale da far levitare l’oggetto a mezz’aria in ogni condizione, è sufficiente che l’oggetto non modifichi la propria quota in maniera da essere sensibilmente visibile all’occhio umano. Per poter raggiungere lo scopo della levitazione autostabilizzante nella maniera meno dispendiosa dal punto di vista economico, non bisogna limitarsi a considerare nella progettazione solamente le dimensioni ed il numero e le caratteristiche delle membrane e la quantità ed il tipo di gas interno, ma bisogna anche considerare le dimensioni e la forma aerodinamica dell’ oggetto in modo da tenere in considerazione la resistenza dell’aria ai movimenti. In pratica grazie all’attrito con l’aria è possibile evitare di dover bilanciare alla perfezione le membrane ed il gas interno, in quanto un piccolo sbilanciamento nella spinta di archimede non produrrà effetti apprezzabili per via dell’attrito aerodinamico se il tempo di salita o discesa dovesse essere abbastanza lungo da non far apprezzare il fenomeno. Inoltre bisogna ricordare che l’aria all’interno degli edifici non è mai perfettamente immobile, ci sono in continuazione vortici orizzontali e verticali, e in caso di vari ambienti comunicanti anche flussi netti, ne consegue che è superfluo cercare di bilanciare al massimo i meccanismi dell’aggetto se per via della normale circolazione dell’aria i movimenti di deriva verticale ed orizzontale sono sensibilmente più evidenti dei cambiamenti di quota dovuti al non perfetto bilanciamento.

Un’altra caratteristica degli oggetti levitanti auto-stabilizzanti descritti in questo brevetto è quella dell’orientazione. Nel caso della sfera rappresentata nella tavola 1 si capisce immediatamente che essa restando a mezz’aria si disporrà in modo tale da avere l’apertura verso il basso, qualunque sia l’orientazione originale, questo per via del fatto che il baricentro della struttura non è ubicato al centro geometrico della stessa. Se si vuole fare in modo di realizzare un oggetto la cui orientazione di equilibrio sia indifferente lo si deve realizzare o ponendo diverse membrane elastiche interne in modo tale da portare il baricentro complessivo al centro della figura, oppure inserendo degli ispessimenti nel lato interno della struttura rigida esterna, fino a spostare il baricentro nel punto desiderato.

Gli oggetti descritti nel presente brevetto possono essere realizzati in qualunque forma desiderata, inoltre si può disegnare al di sopra di essi, ad esempio sulla sfera si può realizzare il disegno della superficie di un pianeta o quello di un pallone, si tratta solamente di calcolare il peso aggiuntivo delle vernici o delle pellicole applicate, in modo da considerarle in ambito progettuale.

I meccanismi illustrati nel presente brevetto, consentono ad un oggetto di levitare ed autoregolarsi in base alla variazione della temperatura e della pressione esterna, e quindi in base e alle variazioni della densità atmosferica che dipende direttamente da queste variabili atmosferiche e dall’ altitudine; inoltre è possibile usare i meccanismi descritti per realizzare oggetti che non solo levitano e rimangono stabili, ma che possono muoversi a piacimento se dotati di opportuni dispositivi e di alimentazione. Ovviamente in questi casi le dimensioni dell’ oggetto devono crescere notevolmente in quanto la portanza totale deve essere garantita dalla piccola massa totale del gas interno a bassa pressione.

La combinazione di membrane e gas a bassa pressione possono inoltre essere utilizzate per alleggerire strutture volanti che traggono gran parte della loro portanza in altre maniere, in tal modo è possibile ridurre al contempo il peso che i meccanismi di portanza classici devono sviluppare e allo stesso tempo bilanciare tale compensazione per un qualsiasi livello di densità atmosferica esterna, aumentando cosi la stabilità dell’intera struttura.

Gli oggetti descritti nel presente brevetto conservano le loro caratteristiche di auto- stabilizzazione non solo al variare della densità dell’aria atmosferica dovuta al normale variare delle condizioni meteorologiche, ma anche al variare della densità dell’aria dovuta al variare dell’altitudine sul livello medio del mare. In pratica una volta tarato l’oggetto in fabbrica esso conserverà le proprie caratteristiche di autoregolazione entro un preciso intervallo di densità dell’aria, determinato dalle scelte costruttive e di volta in volta calcolato dal progettista. Tale intervallo dovrebbe preferibilmente essere tarato in modo tale da garantire che l’oggetto funzioni a partire dal livello medio del mare fino ad una certa altitudine (per città ubicate a quote elevate) dove si ritiene che l’oggetto possa essere venduto o utilizzato dai destinatari finali. In pratica l’intervallo di funzionamento che deve essere considerato progettualmente è quello dovuto a variazioni della densità dell’aria per ragioni altimetriche a cui va aggiunto l’intervallo di variazione di densità dell’aria per cause meteorologiche.

Le variazioni di densità dell’aria dovute al variare dell’umidità atmosferica sono talmente piccole che, per via del citato attrito aerodinamico degli oggetti, risultano trascurabili.

Claims (3)

1. Rivendicazioni 1. Oggetto levitante auto stabilizzante realizzato tramite la combinazione di una struttura rigida esterna e di una o più membrane elastiche ancorate su di essa ed in contatto da un lato con l’aria esterna. Tra il lato interno della membrana o delle membrane elastiche e il lato interno della struttura rigida è presente un gas a bassa pressione che abbassa la densità totale dell’oggetto, consentendone la levitazione. L’azione combinata della membrana o delle membrane e del gas a bassa pressione consente all’oggetto l’autoregolazione del suo volume in modo da compensare le variazioni di pressione e temperatura ambientale che modificano la densità dell’aria.
2. 2. Oggetto levitante autostabilizzante realizzato conformemente alla rivendicazione 1 e munito di sistemi accessori che ne permettono il controllo di volo e manovrabilità.
3. 3. Oggetto realizzato con struttura rigida, membrane e gas interno combinate assieme come da rivendicazione 1 e incorporate in altri tipi di strutture volanti al fine per abbassarne la densità ed aumentarne la stabilità generale.