L'immersione di sfere calde in liquidi viscosi rivela un modo per ridurre la resistenza ai fluidi senza complesse procedure ingegneristiche.
Il movimento irregolare delle gocce d'acqua intorno alle padelle sfrigolanti si verifica quando strati di vapore intrappolato fanno galleggiare brevemente le gocce. Un team della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Arabia Saudita, ha dimostrato che questo processo, noto come effetto Leidenfrost, può essere utilizzato per ridurre significativamente le forze di trascinamento affrontate dagli oggetti che viaggiano attraverso i liquidi.
I punti speciali di una palla da baseball e le fossette sulle palline da golf non sono solo cosmetici. A velocità sufficienti, queste trame ruvide fanno sì che un sottile strato limite d'aria che scorre sulla sfera si comporti in modo turbolento e riduca l'attrito a un livello inferiore a quello delle superfici lisce. Questa cosiddetta crisi della resistenza consente a queste palle di raggiungere traiettorie più lunghe e più stabili.
Recentemente, Siggi Thoroddsen, Professore di Ingegneria Meccanica, e Ivan Vakarelski di KAUST hanno studiato le tecniche per innescare la resistenza senza invocare il fenomeno della crisi. Hanno raggiunto questo obiettivo invertendo le normali procedure di Leidenfrost e immergendo sfere calde in liquidi. Con sufficiente evaporazione, uno strato di vapore formato che ha agito come lubrificante per ridurre l'attrito liquido-solido. Questo approccio ha consentito alle sfere calde di muoversi due volte più velocemente delle sfere più fredde durante gli esperimenti di caduta libera.
Però, sia la crisi della resistenza che la levitazione indotta da Leidenfrost avvengono in un intervallo ristretto di un parametro, noto come numero di Reynolds, che mette in relazione la viscosità e la densità del fluido con le dimensioni e la velocità di una sfera mobile. Nel loro ultimo lavoro, Vakarelski, Thoroddsen e collaboratori in Australia hanno utilizzato liquidi con proprietà stabilizzanti uniche per espandere drasticamente le condizioni in cui gli strati di vapore di Leidenfrost riducono le forze di resistenza.
I ricercatori hanno fatto cadere le sfere scottanti in alti serbatoi verticali contenenti perfluorocarburi, liquidi spesso usati come refrigeranti che evaporano più facilmente dell'acqua. Le videocamere ad alta velocità hanno catturato le traiettorie di caduta libera delle sfere nei perfluorocarburi con viscosità molto diverse per esplorare una serie di condizioni di resistenza. Sorprendentemente, lo strato di vapore ha ridotto l'attrito molto più del previsto, e lo ha fatto con successo per i numeri di Reynolds che coprono tre ordini di grandezza.
La modellizzazione di questo processo ha rivelato che l'effetto Leidenfrost induceva il liquido che scorreva intorno alla sfera a scivolare e ad assumere velocità diverse. Thoroddsen ha spiegato che, "Mentre introduciamo lentamente più slip, questo riduce progressivamente la resistenza. Lo scorrimento parziale è determinato dalla viscosità relativa del liquido e delle molecole di gas nello strato di vapore".
Il team prevede che gli strati di vapore si mantengano naturalmente su superfici superidrofobiche, o indotto tramite iniezione di bolle, può stimolare lo sviluppo di tecniche di taglio a frizione inaspettate. "Questi esperimenti danno solo un limite superiore per la riduzione della resistenza:una volta che gli ingegneri vedono le possibilità, il potenziale guadagno potrebbe essere grande, " ha aggiunto Thoroddsen.
