Le fibre rendono più prevedibile la turbolenza caotica

La turbolenza è uno dei fenomeni più importanti e allo stesso tempo meno compresi in natura. Dalle condizioni meteorologiche alle condizioni di flusso nei corpi idrici, dai reattori industriali chimici o biologici al flusso sanguigno: ovunque si muovano liquidi e gas, gerarchie di vortici determinano il modo in cui l'energia si diffonde e ha un effetto localizzato. I limiti degli attuali modelli di previsione sono in gran parte determinati dalla limitata comprensione della turbolenza e delle sue interrelazioni.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo, insieme a partner di altri istituti di ricerca, hanno sviluppato un nuovo metodo sperimentale per misurare le energie dei vortici nei liquidi in modo molto più accurato e, soprattutto, più semplice su tutta la scala che va da pochi millimetri a centinaia di metri. Il metodo apre la strada a previsioni molto migliori e ha il potenziale per contribuire a portare la nostra comprensione del moto caotico a un livello superiore.

Piccolo cambiamento, grande effetto

Markus Holzner e Stefano Brizzolara del Gruppo di meccanica dei fluidi ambientali - un'unità di ricerca congiunta e interdisciplinare dell'Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio (WSL) e dell'istituto di ricerca acquatica Eawag dell'ETH - hanno adottato un approccio completamente nuovo al problema della misurazione della turbolenza. Mentre i metodi precedenti tracciavano i movimenti di particelle sferiche, questi registrano i movimenti delle estremità di fibre rigide sospese nel liquido. Quella che sembra una piccola modifica all'impostazione sperimentale ha un impatto enorme sullo sforzo di misurazione e sulla precisione.

Le estremità delle fibre forniscono dati statisticamente necessari

La grande differenza: le rotazioni delle estremità di una singola fibra forniscono tutti i dati statistici necessari per caratterizzare un movimento vorticoso e la sua energia. In precedenza, i ricercatori dovevano utilizzare molte e, soprattutto, sempre più particelle marcatrici. Le sfere galleggianti si distribuiscono automaticamente in un liquido e la loro distanza media aumenta rapidamente a causa della diffusione turbolenta.

Nei laboratori in cui i ricercatori registrano il movimento di particelle in tre dimensioni in scatole di misura trasparenti riempite d'acqua, il numero sempre crescente di particelle di misura sta spingendo il rilevamento delle telecamere ai suoi limiti fondamentali. Chi siamo, con oltre 10.000 particelle, spesso si oscura a vicenda. La risoluzione delle misurazioni non può quindi più essere aumentata.

Quando si analizzano correnti e vortici in mare aperto, un numero elevato di boe traccianti e la loro costante sostituzione, come è necessario a causa della costante deriva delle boe con il metodo convenzionale, non solo comporta costi elevati per i materiali. Anche il tempo richiesto aumenta di conseguenza, come spiega Holzner. Tuttavia, se le boe sono collegate da cavi per formare fibre giganti, non possono più andare alla deriva l'una dall'altra.

La fibra rigida ruota nello stesso modo del fluido

Per dimostrare la rilevanza pratica del principio, i ricercatori dell'ETH hanno testato intensamente il loro sistema in esperimenti. Hanno utilizzato un sistema di misurazione della velocità delle particelle in 3D, come si usa anche per le analisi con le particelle sferiche. Tra l'altro, sono riusciti a dimostrare che le fibre rigide danno risultati altrettanto buoni di quelle flessibili.

Tuttavia, lo sforzo di calcolo è notevolmente inferiore con una geometria solida. Il motivo risiede nel fatto che la fibra solida ruota sempre alla velocità del vortice, perché la viscosità impedisce al liquido di scivolare su una fibra solida. Le fibre flessibili, invece, non solo ruotano con il moto vorticoso del liquido, ma si piegano e oscillano a una frequenza altrettanto elevata.

Dalle maree alle valvole cardiache

Secondo Holzner, uno dei principali vantaggi del metodo di misurazione delle fibre è la sua straordinaria trasferibilità a tutti i rapporti di dimensioni rilevanti per i fenomeni vorticosi, da pochi millimetri a diverse centinaia di metri. Per analizzare i vortici in mare, ad esempio, la fibra può essere costituita da due boe dotate di GPS che segnano le estremità e sono collegate da un cavo lungo circa cento metri. Le misurazioni dei movimenti delle boe possono essere utilizzate, ad esempio, per calcolare previsioni sulla diffusione dell'inquinamento da petrolio o da rifiuti plastici.

All'altro capo della scala c'è la comprensione della formazione di vortici nelle valvole cardiache, che possono essere causa di problemi di salute. Qui, ad esempio, è possibile sperimentare fibre millimetriche in modelli di silicone.

Le porte della nuova conoscenza

Durante le prime presentazioni del lavoro di ricerca ai congressi scientifici, Brizzolara ha notato che il metodo delle fibre sta ispirando anche altri ricercatori. Qualcuno vuole adattare il sistema a un modello fisico su larga scala per la simulazione delle maree e altri stanno progettando esperimenti con disposizioni specifiche di più fibre.

"I nuovi metodi sperimentali nella scienza aprono sempre le porte a nuove intuizioni", come i ricercatori sanno per esperienza. Il metodo di misurazione dell'ETH per le turbolenze ha il potenziale per rendere i sistemi di flusso fondamentalmente caotici molto più prevedibili e quindi, tra le altre cose, per consentire migliori modelli di previsione.