In fisica, la convezione termica di un fluido si manifesta con la comparsa di strutture geometriche attraverso le quali il fluido si muove, formare circuiti chiusi. Questo fenomeno è di vitale importanza per molte applicazioni industriali in cui è presente un fluido. La convezione di Bénard è uno dei problemi più studiati in fluidodinamica. Ora, un team di scienziati dell'Università dell'Estremadura e dell'Università La Sapienza di Roma ha scoperto un nuovo tipo di convezione che compare in un fluido granulare e finora non era stato rilevato nei fluidi tradizionali (liquidi, gas, eccetera.). Lo sviluppo sperimentale e i risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .
I mezzi granulari sono formati da particelle solide macroscopiche di dimensioni superiori a 1 micrometro (μm) che, a causa di agitazione o iniezione di energia, interagiscono e si scontrano tra loro, comportandosi come un gas o un fluido. In questo specifico mezzo, i ricercatori hanno determinato le condizioni che producono sistematicamente la convezione termica in un gas granulare per gravità e fluidificato da una base vibrante. La convezione risultante è diversa dalla convezione tradizionale nei fluidi, in quanto prodotto da pareti inerti. Le proprietà sono diverse, pure, in quanto si formano solo due celle di convezione (una per parete inerte) che, nell'esperimento ideato dagli autori, si trovano sulle pareti laterali del sistema. A causa di ciò, questi scienziati l'hanno chiamata "convezione termica a parete laterale".
"Fino ad ora, nessun esperimento simile aveva trovato la chiave, o la ragione di questa convezione. Ci siamo resi conto che le piccole sfere nella scatola dell'esperimento si sono raffreddate entrando in collisione anelasticamente contro la parete laterale. È proprio questa differenza di temperatura tra la zona calda e le due pareti più fredde, insieme all'azione della gravità, che è responsabile di questo nuovo tipo di convezione granulare, " spiega Francisco Vega Reyes, fisico teorico presso l'Università dell'Estremadura e membro dell'Istituto di calcolo scientifico avanzato. Ciò si verifica indipendentemente dalla temperatura, anche se più la parete laterale assorbe il calore, più intensa sarà la convezione.
"Questa è una convezione causata da gradienti perpendicolari, " dice Vega. Due gradienti, in parallelo e verticale - gravità e fonte di calore alla base - e un gradiente orizzontale, costituito dalla differenza di energia derivata dagli urti anelastici contro la parete laterale.
Queste dinamiche granulari offrono numerose applicazioni nell'industria aerospaziale, ad esempio per aumentare l'efficacia del movimento dei robot in deboli campi gravitazionali e in quelli in cui si tiene conto delle proprietà di fluidificazione del mezzo sabbioso in cui si muovono. Inoltre, "se controlliamo le condizioni di convezione, possiamo migliorare il processo di miscelazione e agitazione nel caso di componenti materiali granulari come composti farmaceutici, " aggiunge Vega.
I ricercatori stanno attualmente lavorando a modelli teorici per riprodurre questo tipo di convezione nei liquidi, dal punto di vista tecnico, questo fenomeno potrebbe avere un'applicazione nella meccanica dei fluidi.
