Raccoglitrici di olive: la geometria delle aste e la velocità di lavoro determinano i danni ai frutti

La raccolta meccanizzata delle olive nelle aziende di piccole dimensioni, negli oliveti tradizionali e nei terreni in pendenza presenta ancora alcune criticità. Tra queste, una delle più importanti riguarda i danni meccanici provocati dal contatto diretto degli organi battenti delle raccoglitrici rotative con le drupe. Un problema tutt'altro che secondario, perché le lesioni che si producono sulla superficie del frutto possono ripercuotersi sulla qualità dell'olio estratto.

Una ricerca scientifica affronta la questione utilizzando un approccio integrato, che combina prove sperimentali, osservazioni microscopiche e simulazioni numeriche mediante il metodo degli elementi finiti (FEM, Finite Element Method). L'obiettivo è comprendere come la geometria delle aste battenti, la velocità di rotazione e lo stadio di maturazione delle olive influenzino la distribuzione delle sollecitazioni e la formazione delle ammaccature.

Il lavoro introduce inoltre un modello di dinamica esplicita non lineare, applicato alla simulazione degli impatti tra gli organi della macchina e le drupe. Si tratta di un approccio particolarmente interessante per la progettazione e l'ottimizzazione delle raccoglitrici, perché consente di prevedere il comportamento meccanico del frutto durante un evento di contatto rapido.

I danni meccanici durante la raccolta possono compromettere la qualità dell'olio

La riduzione delle lesioni meccaniche durante la raccolta rappresenta un passaggio importante per preservare la qualità delle produzioni ortofrutticole durante la conservazione e la trasformazione. Nel caso delle olive, tuttavia, la gestione del prodotto danneggiato è particolarmente complessa.

A differenza di altri prodotti agricoli, le drupe destinate alla produzione di olio vengono generalmente avviate direttamente alla lavorazione, senza una preventiva selezione che consenta di separare sistematicamente quelle integre da quelle ammaccate. Ne consegue che olive con differenti livelli di danneggiamento possono confluire insieme nelle successive fasi di frangitura, gramolazione e centrifugazione.

La presenza di tessuti lesionati può favorire l'innesco di processi degradativi e incidere sui parametri qualitativi dell'olio, tra cui acidità libera e numero di perossidi. Gli studi precedenti richiamati dagli autori, tra cui quelli di Herrera-Cáceres e collaboratori (2017), Hoshyarmanesh e collaboratori (2017) e Plasquy e collaboratori (2021), evidenziano l'importanza di contenere i danni già nella fase di distacco e raccolta delle drupe.

Il problema interessa diverse tipologie di macchine: dagli scuotitori del tronco con ombrello intercettatore alle raccoglitrici laterali a pettine, dai vibratori portatili alle agevolatrici con organi battenti. Negli ultimi anni, la ricerca si è concentrata soprattutto sull'ottimizzazione delle frequenze di vibrazione, della risposta dinamica degli alberi e dei sistemi di intercettazione delle olive.

Le raccoglitrici rotative, invece, sono state oggetto di minori approfondimenti attraverso modelli numerici, nonostante il loro impiego diffuso negli oliveti dove le macchine di grandi dimensioni non possono operare.

Una prova sperimentale su tre stadi di maturazione e due geometrie delle aste

La sperimentazione ha preso in considerazione olive della cultivar Manzanilla, raccolte in tre differenti momenti della maturazione:

• Olive non mature: prelevate all'inizio di ottobre, con almeno il 90% della superficie ancora verde.

• Olive in maturazione intermedia: raccolte all'inizio di novembre, con una colorazione indicativamente ripartita a metà tra verde e nera.

• Olive mature: prelevate alla fine di novembre, con almeno il 90% della superficie nera.

La scelta di questi tre stadi permette di valutare come cambino le caratteristiche meccaniche della drupa durante l'invaiatura e la maturazione, quando si modificano progressivamente le proprietà dei tessuti del mesocarpo.

Gli autori hanno confrontato due differenti configurazioni geometriche dell'asta battente della raccoglitrice rotativa: una con sezione piatta e una con profilo rotondo. Per ciascuna geometria sono state considerate tre velocità di rotazione, pari a 500, 1.000 e 1.500 giri al minuto.

La prova è stata realizzata mediante un'apparecchiatura di laboratorio progettata per riprodurre l'impatto dell'asta sulla superficie dell'oliva. Un generatore di potenza azionava l'albero rotante, mentre un sensore piezoelettrico di tipo MEMS consentiva di rilevare le sollecitazioni generate durante il contatto.

Per rendere confrontabili le prove, le olive venivano mantenute su un supporto in modo da esporre la drupa all'impatto dell'organo battente. È stata utilizzata una sola asta, scelta sufficiente, secondo gli autori, per isolare l'effetto della geometria e della velocità sulle sollecitazioni e sulle deformazioni, evitando la complessità computazionale di una simulazione con più elementi battenti.

FEM e dinamica esplicita per simulare l'impatto sulla drupa

Il cuore innovativo dello studio è rappresentato dall'impiego del metodo degli elementi finiti con un approccio di dinamica esplicita. Questa tecnica consente di simulare fenomeni caratterizzati da interazioni meccaniche rapide, grandi deformazioni e contatti tra materiali con proprietà differenti.

Il modello numerico è stato costruito considerando la struttura dell'oliva, il nocciolo e l'asta battente. Particolare attenzione è stata dedicata alla rappresentazione della microstruttura del frutto, analizzata attraverso microscopia elettronica a scansione (SEM).

Le immagini microscopiche hanno permesso di caratterizzare le differenze strutturali dei tessuti nei tre stadi di maturazione e di definire una geometria di calcolo più aderente alla realtà biologica. La costruzione della mesh, ovvero la suddivisione del modello in elementi finiti, è un passaggio determinante per ottenere risultati numericamente affidabili.

Uno dei parametri centrali dell'analisi è stato lo stress di von Mises, un indicatore della sollecitazione equivalente utilizzato per valutare lo stato tensionale prodotto dall'impatto. La sua distribuzione permette di individuare le zone maggiormente sollecitate e di stimare il rischio di deformazione e danneggiamento dei tessuti.

Il modello è stato quindi utilizzato per prevedere quattro grandezze:

• lo stress di von Mises nel momento dell'impatto;

• l'area superficiale danneggiata (BA, Bruised Area);

• il volume dell'ammaccatura (BV, Bruise Volume);

• la suscettibilità all'ammaccatura (BS, Bruise Susceptibility).

Queste ultime tre variabili consentono di passare dalla semplice misurazione della forza dell'impatto a una valutazione più concreta delle conseguenze sul prodotto agricolo.

La velocità aumenta lo stress, ma la maturazione modifica la risposta del frutto

I risultati sperimentali mostrano una relazione diretta tra velocità di rotazione dell'asta e sollecitazione generata dall'impatto. All'aumentare dei giri, cresce infatti lo stress trasmesso alla drupa.

Un risultato particolarmente significativo riguarda la differenza tra i tre stadi di maturazione. Con l'asta piatta alla velocità di 1.500 giri/minuto, lo stress di von Mises rilevato è stato:

La diminuzione delle sollecitazioni con l'avanzare della maturazione è riconducibile alla progressiva perdita di resistenza meccanica dei tessuti. Le olive mature oppongono quindi una minore resistenza all'impatto rispetto a quelle ancora verdi.

È importante, tuttavia, non confondere la riduzione dello stress con una diminuzione automatica del danno. Una drupa più matura può subire deformazioni più estese anche quando la sollecitazione misurata risulta inferiore.

Un'altra evidenza riguarda la geometria dell'asta. Il profilo rotondo ha generato valori di stress superiori rispetto a quello piatto in tutte le condizioni sperimentali. La spiegazione proposta dagli autori è legata alla minore superficie di contatto: concentrando l'impatto su un'area più piccola, aumenta la sollecitazione locale.

Le ammaccature sono più estese nelle olive mature

L'analisi microscopica ha consentito di verificare che il danno non si limita alla superficie esterna della drupa, ma interessa anche la struttura cellulare dei tessuti.

Dopo le prove d'impatto, le olive sono state conservate per 24 ore in condizioni controllate, a 23 ± 0,5 °C e con umidità relativa del 65 ± 2%. Successivamente, le lesioni sono state esaminate mediante microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione.

Il danno cellulare è stato identificato attraverso le alterazioni cromatiche, la deformazione e la rottura delle pareti cellulari. Le immagini SEM hanno mostrato che le lesioni si propagano dai tessuti più interni del pericarpo verso l'esterno, accompagnate da fenomeni di contrazione dei tessuti.

I risultati relativi all'area danneggiata (BA) sono particolarmente indicativi:

Il modello numerico riproduce il comportamento delle olive

Uno degli obiettivi principali della ricerca era verificare se il modello agli elementi finiti fosse sufficientemente affidabile da poter essere utilizzato nella progettazione delle macchine raccoglitrici.

Il confronto tra simulazioni e prove di laboratorio ha restituito errori massimi differenti a seconda del parametro considerato:

La previsione dello stress risulta quindi particolarmente accurata, mentre l'area danneggiata presenta lo scostamento maggiore. Quest'ultimo dato evidenzia quanto sia complesso riprodurre numericamente il comportamento dei tessuti biologici, soprattutto quando entrano in gioco rotture cellulari e deformazioni non uniformi.

Per valutare la suscettibilità all'ammaccatura, gli autori hanno utilizzato il rapporto tra volume della lesione ed energia assorbita durante l'impatto:

dove BV rappresenta il volume dell'ammaccatura ed E l'energia assorbita dalla drupa.

Questo parametro permette di distinguere il semplice danno dimensionale dalla risposta del frutto all'energia ricevuta. Due olive possono infatti assorbire quantità differenti di energia e sviluppare lesioni di volume diverso.

Implicazioni per la progettazione delle raccoglitrici rotative

La ricerca, pubblicata su Biosystems Engineering nel 2023, offre indicazioni interessanti per i costruttori di agevolatrici e raccoglitrici rotative. In particolare, dimostra che la geometria degli organi battenti non è un dettaglio secondario: la superficie di contatto influenza direttamente la distribuzione delle sollecitazioni e l'estensione delle lesioni.

La configurazione con asta piatta ha mostrato un comportamento più favorevole rispetto a quella rotonda nella riduzione dell'area danneggiata. Anche la velocità di rotazione rappresenta una variabile determinante e dovrebbe essere calibrata tenendo conto dello stadio di maturazione delle olive.

Non bisogna però interpretare i risultati come una semplice indicazione a ridurre sempre la velocità. La macchina deve infatti garantire anche un'efficace capacità di distacco delle drupe, evitando che la diminuzione dell'aggressività degli organi battenti comprometta la produttività della raccolta.

Il contributo più importante dello studio consiste proprio nella possibilità di integrare questi aspetti attraverso la modellazione numerica. Una volta validato il modello, i costruttori possono simulare differenti geometrie, materiali e condizioni operative prima di realizzare prototipi fisici, riducendo tempi e costi della sperimentazione.

La prospettiva è quella di sviluppare raccoglitrici capaci di adattare il proprio comportamento alle caratteristiche meccaniche delle olive, limitando le lesioni senza sacrificare l'efficienza di raccolta. Un obiettivo importante soprattutto per gli oliveti tradizionali, dove le macchine rotative portatili rappresentano spesso una delle poche soluzioni economicamente e tecnicamente praticabili.