Un esperimento dei ricercatori dell'EPFL ha confermato una teoria che è stata utilizzata in meccanica per oltre mezzo secolo, nonostante non sia mai stata completamente convalidata. Il team potrebbe ora utilizzare la teoria in modi più audaci e innovativi nella loro ricerca per sviluppare sistemi energetici sempre migliori.

Alcune teorie sono ampiamente utilizzate anche se non sono mai state convalidate sperimentalmente. Un esempio è la cosiddetta teoria del solco stretto, o NGT, che spiega come funzionano i cuscinetti lubrificati ad aria nei sistemi meccanici.

La teoria è stata proposta nel 1965 ma, fino a poco tempo fa, era stato testato solo parzialmente o indirettamente. Ricercatori del Laboratorio di progettazione meccanica applicata (LAMD) dell'EPFL, con sede a Microcity a Neuchâtel, hanno ormai colmato una lacuna che permane nella letteratura scientifica da oltre 50 anni. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Sistemi meccanici ed elaborazione del segnale .

Perché ci è voluto così tanto tempo per convalidare la teoria? "Al tempo, gli ingegneri erano contenti di osservare che la teoria funzionava, "dice Eliott Guenat, un assistente di dottorato presso l'EPFL e l'autore principale del documento. "Ma tutto è cambiato, perché le parti meccaniche che stiamo sviluppando oggi sono molto più avanzate e complesse."

La teoria del solco stretto è stata proposta nel 1965 da J. H. Vohr e C. Y. Chow, due ingegneri della Mechanical Technology di New York, Inc. La teoria spiega il funzionamento dei cuscinetti portanti scanalati a spina di pesce, o HGJB, un tipo di cuscinetto lubrificato ad aria che supporta le parti rotanti nei sistemi meccanici. Esistono molti tipi diversi di cuscinetti, ma le HGJB sono le più promettenti per lo sviluppo di macchine rotanti ad altissima velocità perché il rotore è supportato su un cuscino d'aria generato dall'albero rotante. "Ciò che rende speciali gli HGJB è che non causano usura perché non c'è contatto, " spiega Jürg Schiffmann, chi dirige la LAMD. "Nel mio laboratorio, stiamo usando questo progetto per sviluppare i sistemi energetici del futuro."

Convalidare la teoria

Per convalidare la teoria del solco stretto, i ricercatori hanno montato un rotore supportato da diversi HGJB su un banco di prova, impostandolo a 100, 000 rotazioni al minuto. Prossimo, hanno usato un sistema di scuotimento per far vibrare il rotore e hanno osservato come reagiva. Le osservazioni hanno permesso loro di calcolare la rigidità dei cuscinetti e i coefficienti di smorzamento, che hanno confrontato con le previsioni della teoria. Hanno scoperto che l'NGT tendeva a sovrastimare leggermente entrambi i valori.

"Siamo stati in grado di quantificare fino a che punto la teoria regge, " dice Guenat. "Ora che abbiamo rafforzato la nostra comprensione, possiamo prendere la teoria e applicarla nell'industria e nella ricerca in modi nuovi".

Guenat prevede di condurre più esperimenti per effettuare ulteriori misurazioni. "Invece di utilizzare cuscinetti lubrificati ad aria, eseguiremo di nuovo l'esperimento con il refrigerante, un gas utilizzato nelle pompe di calore, " spiega. "L'idea è di confermare che la teoria non regge solo in aria, ma anche in un mezzo con proprietà chimiche e fisiche nettamente differenti."

Elegante nella sua semplicità

NGT è una teoria matematicamente elegante che probabilmente non avrebbe mai visto la luce del giorno se gli ingegneri si fossero interessati solo ora ai cuscinetti lubrificati ad aria. "In questi giorni, inseriamo i nostri dati in un computer e lasciamo che sia il processore a fare il lavoro pesante, " spiega Guenat. "Ma anche con la moderna potenza di elaborazione, arrivare al risultato richiederebbe diversi minuti. Con NGT, possiamo fare lo stesso in pochi secondi." La teoria completamente convalidata potrebbe avere applicazioni innovative nella progettazione di sistemi energetici.