Che si tratti di soffi cardiaci e trasporto di petrolio in oleodotti, o aeroplani sconnessi e la dispersione di inquinanti, la turbolenza gioca un ruolo importante in molti eventi quotidiani. Ma nonostante sia un luogo comune, gli scienziati ancora non comprendono appieno il comportamento apparentemente imprevedibile dei vortici e dei vortici nei flussi turbolenti.

Ora, una nuova tecnica per misurare i flussi turbolenti è stata sviluppata da una collaborazione internazionale di scienziati dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) in Giappone, insieme all'Università di Genova, Italia, KTH Stoccolma, Svezia e ETH Zurigo, Svizzera. Utilizzando le fibre anziché le particelle, il consueto metodo di misurazione, i ricercatori hanno potuto ottenere un quadro più dettagliato dei flussi turbolenti. Il loro metodo è stato riportato il 17 settembre sulla rivista, Revisione fisica X .

"La turbolenza è un fenomeno davvero unico e complicato, è stato anche chiamato l'ultimo problema irrisolto nella fisica classica, " ha affermato il Dott. Stefano Olivieri, un ricercatore post-dottorato della Complex Fluids and Flows Unit dell'OIST, chi è stato autore dello studio. "Difficile fare previsioni, difficile da simulare, e difficile da misurare".

La misurazione dei flussi turbolenti è una sfida urgente per i fisici per numerose ragioni. Non solo la turbolenza è caratterizzata dalla sua natura caotica e casuale, ma si verifica anche su più scale contemporaneamente. Nei flussi turbolenti, i vortici vorticosi del fluido si scompongono in vortici sempre più piccoli in scala, finché alla fine i vortici sono così piccoli e viscosi che l'energia cinetica del fluido viene trasferita all'ambiente sotto forma di calore.

Attualmente, il modo più comune per misurare i flussi turbolenti è tracciare il movimento delle particelle, chiamati traccianti, che vengono aggiunti al fluido. Queste particelle sono minuscole e di densità simile al fluido, e quindi muoversi alla stessa velocità e nella stessa direzione del flusso.

Ma per osservare come si muove ogni vortice di fluido, guardare come si muove una particella non è abbastanza. I fisici devono essere in grado di determinare come si muovono due particelle che si trovano a una distanza specifica l'una rispetto all'altra. Più piccolo è il vortice, quanto più vicine devono essere le due particelle per caratterizzare il moto del vortice.

Per rendere le cose più impegnative, una delle caratteristiche distintive della turbolenza è la sua diffusività:un flusso turbolento si diffonderà nel tempo, e così anche i traccianti, soprattutto nei flussi aperti, come una corrente oceanica. In molti casi, i traccianti possono diffondersi rapidamente troppo distanti per misurare il comportamento dei vortici.

"Ogni particella tracciante si muove indipendentemente l'una dall'altra, quindi hai bisogno di molte particelle traccianti per trovare quelle che sono alla giusta distanza l'una dall'altra, " ha spiegato il professor Marco Rosti, che guida l'Unità Fluidi e Flussi Complessi dell'OIST.

"E troppe particelle traccianti possono effettivamente interrompere il flusso, " Ha aggiunto.

Per aggirare questo problema, il team di ricerca ha sviluppato una soluzione innovativa e semplice al problema:utilizzare fibre invece di particelle traccianti.

I ricercatori hanno creato una simulazione al computer in cui sono state aggiunte fibre di diverse lunghezze a un flusso turbolento. Queste fibre erano rigide, che manteneva le estremità di ciascuna fibra a una distanza fissa. Tracciando come ogni fibra si è mossa e ruotata all'interno del fluido nel tempo, i ricercatori sono stati in grado di costruire un quadro che comprendesse l'intera scala e la struttura del flusso turbolento.

"Utilizzando fibre rigide, possiamo misurare la differenza di velocità e direzione del flusso in due punti a distanza fissa l'uno dall'altro, e possiamo vedere come queste differenze cambiano a seconda della scala del vortice. Le fibre più corte ci hanno anche permesso di misurare con precisione la velocità con cui l'energia cinetica del fluido viene trasferita dalla scala più grande a quella più piccola, dove viene poi dissipato dal calore. Questo valore, chiamato tasso di dissipazione di energia, è una grandezza cruciale nella caratterizzazione dei flussi turbolenti, " ha detto il prof. Rosti.

I ricercatori hanno anche eseguito lo stesso esperimento in laboratorio. Hanno prodotto due diverse fibre, uno in nylon e l'altro in un polimero chiamato polidimetilsilossano. Il team ha testato entrambe queste fibre aggiungendole al serbatoio dell'acqua contenente acqua turbolenta e ha scoperto che le fibre hanno dato risultati simili alla simulazione.

Però, l'uso di fibre rigide comporta un avvertimento importante, gli scienziati hanno sottolineato, poiché il movimento complessivo delle estremità della fibra è limitato.

"A causa della rigidità della fibra, le estremità della fibra non possono muoversi l'una verso l'altra, anche se questa è la direzione del flusso. Ciò significa che una fibra non può rappresentare completamente il movimento del flusso nello stesso modo in cui possono farlo le particelle traccianti, " ha spiegato il dottor Olivieri. "Quindi prima ancora di iniziare simulazioni o esperimenti di laboratorio, per prima cosa avevamo bisogno di sviluppare una teoria adeguata che tenesse conto di queste limitazioni del movimento. Questa è stata forse la parte più impegnativa del progetto".

I ricercatori hanno anche misurato lo stesso flusso turbolento in laboratorio in modo convenzionale, aggiungendo un'elevata concentrazione di particelle di tracciante nel serbatoio dell'acqua. I risultati ottenuti dai due diversi metodi erano simili, verificando che il metodo della fibra e la teoria appena sviluppata fornissero informazioni accurate.

Andando avanti, i ricercatori sperano di espandere il loro metodo per incorporare fibre flessibili che hanno meno restrizioni su come si muovono. Hanno anche in programma di sviluppare una teoria che possa aiutare a misurare la turbolenza in fluidi non newtoniani più complessi che si comportano in modo diverso dall'acqua o dall'aria.

"Questa nuova tecnica ha un grande potenziale eccitante, soprattutto per gli scienziati che studiano la turbolenza in grandi, flussi aperti come correnti oceaniche, " ha affermato il Prof. Rosti. "E essere in grado di misurare facilmente quantità che prima erano difficili da ottenere ci avvicina di un passo alla comprensione completa della turbolenza".