ANIMALI

La produzione di calore è più o meno bilanciata dalla sua perdita attraverso la superficie corporea mediante conduzione e irradiazione oltre che per evaporazione d’acqua attraverso la cute o i polmoni. Mammiferi ed uccelli, omeotermi, mantengono la temperatura corporea ad un livello relativamente elevato e costante e per fare ciò si affidano ai loro rivestimenti esterni di varia natura. Tuttavia in tutte le specie la pelle assolve alle medesime funzioni di isolamento, termoregolazione, respirazione; per fare ciò è necessario che questa venga protetta da uno o più strati difensivi. La natura, la composizione e la stratificazione degli ulteriori rivestimenti distingue gli animali delle diverse aree climatiche.

Gli animali nei climi torridi devono affrontare il duplice compito di conservare acqua all’interno del corpo per impedire la disidratazione degli organi interni ed allo stesso tempo devono svolgere la respirazione. I due compiti sono strettamente connessi perchè la respirazione richiede che la membrana che deve assorbire l’O₂ e distribuirlo agli altri tessuti deve essere sempre umida. Per mantenere la pelle umida tali animali sono dotati di uno strato protettivo, il mantello, che li protegge dalla radiazione solare, riduce l’efficacia della pelle come organo di respirazione ma allo stesso tempo regola gli scambi gassosi; infatti attraverso l’evaporazione di acqua (sudore) dalla cute la maggior parte degli animali riescono a mantenere costante la temperatura; inoltre il mantello trattiene attorno al corpo uno strato d’aria isolante che confina ed argina il calore all’esterno evitando così il surriscaldamento del corpo e mantenendo la pelle umida e fresca. Tale soluzione è adottata sia dai mammiferi che dagli uccelli.

Nel cammello, ad esempio, il mantello è costituito da peli radi e di colorazione pallida che favorisce la termoregolazione, riflettendo la luce solare diretta; la quantità di calore che raggiunge la pelle umida fa evaporare i liquidi superficiali consentendo il raffrescamento del corpo. Questo avviene perché l’evaporazione, che rimuove una grossa quota di calore dal corpo, è un passaggio che si ha a spese dell’energia termica del sangue che così si raffredda; tuttavia la presenza dei peli fa si che solo una quota di calore intercetti la superficie corporea, la loro funzione è quindi quella di regolare l’assorbimento di calore allo stretto necessario.

L’analogia col mondo artificiale è rintracciabile negli edifici dotati di sistemi di isolamento tramite doppia parete vetrata ventilata. Qui infatti il ruolo fondamentale nella regolazione e nel controllo del comfort microclimatico è svolto proprio dall’aria che ha notevoli capacità di isolamento termico; la doppia parete vetrata assolve alla funzione di motore termico in quanto nella camera d’aria s’innesca per spinta idrostatica un flusso d’aria ascensionale sfruttabile in qualunque situazione stagionale: in estate per espellere aria calda dagli ambienti interni, in inverno per immettervi aria esterna preriscaldata nell’intercapedine; inoltre la parete esterna è spesso dotata di sistemi mobili di schermatura solare che proteggono dalla radiazione solare gli strati più interni.

In alcuni casi per incrementare il raffrescamento passivo, all’imbocco dell’intercapedine delle vasche d’acqua concorrono al raffrescamento dell’aria prima che si immetta nell’intercapedine: l’incontro tra aria calda e superficie liquida simula proprio ciò che avviene negli animali quando l’aria calda viene a contatto con la pelle umida.

Il principale problema che devono affrontare gli animali nei climi freddi è la bassa temperatura e quindi devono proteggersi da eccessive perdite termiche e contemporaneamente conservare il più a lungo possibile e in grande quantità il calore prodotto. Per questi motivi il mantello che riveste la pelle sia dei mammiferi che degli uccelli è folto e racchiuso in più strati difensivi così da trattenere a contatto con il corpo uno strato di aria ferma, stagnante che è cattiva conduttrice di calore e stenta quindi a scambiare calore con l’esterno; inoltre uno spesso strato di grasso sottocutaneo svolge le molteplici funzioni di accumulatore termico, di risorsa/riserva di cibo e di isolante termico essendo un cattivo conduttore di calore.

Il caso più interessante è quello dell’orso polare la cui folta pelliccia produce un “effetto serra”. Il suo rivestimento è costituito da uno strato con proprietà di captazione solare, da uno strato con proprietà di trasmissione della luce e del calore e da uno strato con proprietà di accumulatore termico.

L'analogia col mondo artificiale è rintracciabile in tutti quegli edifici dotati di sistemi solari passivi, quali ad esempio: serre e muri trombe (muri solari termici) i quali sfruttano l'energia solare per produrre riscaldamento passivo. Tali sistemi sono composti principalmente da una parete vetrata che lascia passare la radiazione solare e da un elemento con grossa capacità termica che accumula per poi restituire il calore assorbito.

L'esempio che più di tutti ripropone il pelo dell'orso in chiave progettuale è l'isolamento termico trasparente, TWD, che consiste in un sistema di isolamento tramite doppia parete vetrata ventilata con isolamento termico traslucente (fibre ottiche) e protezione dall'irraggiamento solare e con elemento opaco assorbente.

Quando il raggio si sole colpisce il materiale traslucente, posto du di una parete assorbente dipinta di nero, la parete si scalda e trasmette calore, contenuto nella zona cuscinetto, agli ambienti retrostanti.

Un altro aspetto interessante sulle membrane degli animali dei climi polari è rappresentato dalla capacità della pelliccia di proteggere il corpo da dispersioni di calore anche nelle acque gelide: ciò è possibile perché in acqua lo strato più esterno della pelliccia si bagna ed i peli si intrecciano formando una sorta di pelle che riveste la pelliccia sottostante; il corpo si mantiene caldo perché la cute non si bagna mai e l’acqua non si sostituisce allo strato d’aria isolante che avvolge il corpo.

Un caso singolare è rappresentato dai cetacei, come ad esempio il delfino adattato alla vita in acque sia fredde che calde; questi sono glabri, la pelle è costituita da un delicato strato esterno, simile ad una spugna impregnata d’acqua, e da un consistente strato interno. Lo strato esterno è comprimibile e si conforma, corrugandosi e piegandosi, così bene alla pressione delle onde, che la turbolenza è minima e l’animale scivola con facilità nell’acqua raggiungendo delle velocità molto elevate.

L’analogia col mondo artificiale è rintracciabile nella progettazione dei catamarani; infatti il rivestimento dello scafo per diminuire la resistenza dell’acqua è costituito da una doppia verniciatura della carena: uno strato gelatinoso applicato sopra uno strato spugnoso, la viscosità del primo e l’elasticità del secondo evitano la formazione di vortici e quindi la diminuzione di velocità.

PIANTE

La struttura esterna di foglie e fusti è strettamente legata a quella interna ed entrambe dipendono dall’ambiente in cui vivono.

L’intensità e la quantità dell’irraggiamento solare determinano la struttura cellulare delle foglie e perciò è facile trovare foglie con struttura diversa anche su una stessa pianta. Una foglia in ombra, posta alla base di una pianta, deve competere per la luce: infatti per svolgere il processo fotosintetico è necessario massimizzare l’assorbimento della radiazione solare e ciò si realizza con cellule poste sulla superficie esterna, che, come delle lenti, convogliano verso i cloroplasti la radiazione assorbita. L’interno della foglia inoltre è fatto da spazi cellulari molto ampi affinché gli scambi gassosi con l’esterno siano continui e costanti e la lamina fogliare è molto più ampia poiché l’acqua è abbondante ma la radiazione solare che giunge a terra è esigua. Al contrario, una foglia che riceve la radiazione solare diretta, perchè posta in cima ad una pianta, deve proteggersi dall’eccessivo irraggiamento; ciò si realizza con una struttura cellulare molto fitta, cutinizzata e stratificata che filtra e seleziona la radiazione, che viene poi intercettata dai cloroplasti, che in questo modo non vengono danneggiati. Inoltre gli spazi intercellulari sono molto stretti e gli scambi gassosi con l’esterno sono limitati e controllati da appositi “sensori” (stomi) presenti solo sulla pagina inferiore della foglia. L’analogia col mondo artificiale è rintracciabile nella morfologia e nella struttura di edifici posti, come le foglie, in diverse condizioni di irraggiamento. Un edificio che riceve radiazione solare diretta è spesso caratterizzato da una morfologia a stecca, in questo modo infatti le superfici che ricevono la maggiore e più intensa radiazione sono le coperture con superficie meno estesa e opportunamente coibentata. Così come avviene per le foglie anche negli edifici la copertura ha la funzione di proteggere gli spazi sottostanti nei quali avvengono gli scambi, le relazioni e dove in generale si attiva il “metabolismo” dell’intero edificio. Infatti le foglie non sono completamente isolate dall’ambiente esterno ma comunicano con esso attraverso gli stomi, posti nella pagina inferiore della foglia e possono essere infossati nella membrana fogliare e protetti da peluria se il clima è molto arido. L’analogia col mondo artificiale è riscontrabile nella tecnologia delle pareti perimetrali nelle quali sono presenti aperture regolabili per l’ingresso e/o l’uscita di aria; tali aperture, che possono essere autoregolabili perché gestite da sensori che si adattano alle variazioni climatiche, consentono il ricircolo dell’aria degli ambienti interni perchè grazie ad essi si attiva un processo di ventilazione naturale interno-esterno. Infine c’è un altro espediente utilizzato dalle piante che si trovano in climi caldi che viene sfruttato come metodo costruttivo. Infatti quando è necessario eliminare il calore in eccesso accumulato all’interno, le piante, ed in particolare le foglie, utilizzano il processo di evaporazione dell’acqua e questo avviene grazie all’acqua che arriva dai fusti alle foglie perciò risulta fondamentale la canalizzazione interna della foglia, le venature. In architettura viene spesso applicato il principio di raffreddamento passivo attraverso l’utilizzo dell’acqua, in alcuni casi intere facciate vengono cosparse d’acqua, mentre in altri un bacino d’acqua viene utilizzato per rinfrescare l’aria calda prima che venga immessa all’interno dell’edificio.

In situazioni climatiche in cui le temperature sono molto basse ed il vento molto forte i problemi principali che le piante devono affrontare sono la protezione dal congelamento e la radiazione solare molto intensa. La protezione che molte piante, per l’intero corpo vegetale, hanno trovato è quella di rivestirsi di un fitto manto peloso trasparente che le protegge dalle basse temperature e le scherma dall’intensa radiazione solare: un tipico esempio sono le stelle alpine le quali, ricoperte dal manto peloso, sono protette dal freddo perchè i peli mantengono uno strato d’aria isolante ed allo stesso tempo i peli schermano la pianta dalla radiazione solare che giunge all’interno filtrata e diffusa. In architettura si può ritrovare un’analogia con i brise soleil, soprattutto quelli trasparenti che schermano dalla radiazione solare ma non diminuiscono l’illuminazione. Tali brise soleil oltre a schermare dalla radiazione solare creano una zona di cuscinetto termico, percorsa dall’aria, tra la parete interna e la parete con gli elementi schermanti. Inoltre i brise soleil sono spesso orientabili così da potersi adattare alle diverse esigenze e lo stesso può avvenire nelle piante, poiché se necessario la fitta peluria può diradarsi per sprigionare il calore trattenuto e quindi evitare il surriscaldamento. Un altro espediente utilizzato dalle piante per proteggersi dal freddo e limitare le perdite di acqua è rivestire il corpo della pianta con una strato di cutina, una sorta di cera che rende la pianta impermeabile impedendo gli scambi gassosi tra interno ed esterno in modo tale che la pianta sia isolata dal mondo esterno, mentre all’interno, tra i grandi spazi intercellulari, si abbia un ricco scambio di sostanze. La cutina è paragonabile in architettura ai nuovi sistemi e materiali di rivestimento e impermeabilizzazione delle superfici esterne, in particolare le pellicole trasparenti sulle vetrate, che creano un involucro trasparente altamente isolato e selettivo al passaggio di calore e di illuminazione, nel caso in cui le pellicole siano anche oscuranti. I fusti hanno un ruolo fondamentale per la sopravvivenza di una pianta in quanto oltre ad ancorarla al terreno trasportano in tutte le sue parti le sostanze prodotte o assorbite. In architettura spesso nella progettazione soprattutto di torri o grattacieli si cerca di ricreare una struttura simile a quella dei fusti delle piante arboree e spesso se ne riprende il sistema di accrescimento a cerchi concentrici, di cui quelli più esterni fungono da protezione a quelli più interni, sede delle canalizzazioni. Lo schema strutturale è infatti concepito come un involucro continuo di protezione ad un sistema di canalizzazioni, di connessioni e collegamenti posti nel cuore dell’edificio, che contemporaneamente fungono da elementi strutturali portanti.