E’ possibile che un elica a passo variabile permetta al mezzo (ad esempio la nave, oppure un aereo) di invertire il senso di marcia senza dover cambiare il senso di rotazione dell’albero motore?

Innanzitutto la risposta è sì. Nel seguito vedremo come.

Facendo riferimento alla figura seguente:

individuato sul profilo della pala un punto A posto a distanza r dall’ asse di rotazione, èpossibile definire il passo dell’elica P come la proiezione, sull’asse di rotazione, della traiettoria percorsa dal punto A mentre l’elica compie un giro completo avanzando ad una data velocità.
L’inclinazione φ della pala dell’elica rispetto al piano perpendicolare all’asse di rotazione è legata al passo dalla formula mostrata in figura e cioè:

tg φ= P / 2 π r

È evidente che variando l’inclinazione della pala è possibile variare il passo (da cui la definizione di eliche a ”passo variabile”).
La spinta generata da un’elica aeronautica, ad esempio, è proporzionale alla massa d’aria che riesce a spostare in un giro completo. Data la densità dell’aria la massa è proporzionale al volume, che a sua volta è dato dal prodotto tra il diametro dell’elica e il suo passo.
Agendo sull’inclinazione delle pale è quindi possibile:
1) azzerare il passo e annullare la spinta (condizione di ”elica in bandiera”), utile ad esempio per minimizzare la resistenza all’avanzamento nel caso di motore in avaria
2) rendere il passo negativo, invertendo il senso di spinta senza invertire il senso di rotazione dell’albero motore, utile ad esempio per contrastare il moto in fase di frenata per un velivolo di grosse dimensioni (frenata per inversione di spinta)

In ambito aeronautico l’esigenza di introdurre eliche a passo variabile derivò dal continuo aumento della velocità dei velivoli. Infatti, come si può notare nella figura seguente:

la velocità ”sentita” dal profilo aerodinamico dell’elica è una combinazione vettoriale della velocità periferica di rotazione della pala (v1) e della velocità di avanzamento del velivolo v2. La forza aerodinamica L (di cui la componente longitudinale L1 rappresenta la spinta utile all’avanzamento e la componente trasversale L2 una resistenza al moto di rotazione delle eliche) è proporzionale alla velocità v e all’angolo di incidenza tra v e la corda del profilo. Per mantenere tale angolo di incidenza più o meno costante all’aumentare della componente v2 di v, e quindi mantenere un’elevata efficienza di spinta all’aumentare della velocità, è necessario cambiare l’inclinazione del profilo aerodinamico rispetto al piano perpendicolare all’asse di rotazione, variare cioé il passo dell’elica.
A seconda del regime di volo (decollo, crociera, supercrociera etc.), variando il passo dell’elica è quindi possibile ottimizzare l’efficienza propulsiva: passo basso per la salita in quota, più alto per la velocità di crociera, ancora più alto per la velocità massima. È più o meno la funzione che ha il cambio di velocità delle automobili, con il quale si adatta un certo regime di giri motore alle condizioni di carico. Nei sistemi con elica a passo variabile e a giri costanti, ad esempio, esiste un dispositivo automatico che varia automaticamente il passo in funzione di un determinato regime di rotazione del motore.