I fisici dell'Università di Chicago che lavorano nel campo nascente della dinamica sperimentale dei vortici hanno, con l'aiuto inaspettato di un pennarello Sharpie, ottenuto le prime misurazioni di una proprietà sfuggente ma fondamentale del flusso di fluido.

Fino ad ora, non c'era modo in laboratorio per misurare l'elicità totale, o la misura di quando due anelli di vortice si intrecciano. Nei loro esperimenti, il team di UChicago ha creato vortici a nucleo sottile, i tipi che si trovano nelle scie degli aerei e nel volo degli insetti, producendo aliscafi utilizzando una stampante 3D.

Per fortuna, il pennarello rosso Sharpie usato per etichettare gli aliscafi conteneva colorante di rodamina, che emetteva una fluorescenza quando illuminata dalla luce laser. Quando gli aliscafi furono posti in una cisterna d'acqua, il colorante cominciò a diffondersi, e quando l'aliscafo fu accelerato, il colorante è stato risucchiato nel nucleo del vortice appena creato, un processo registrato tramite tomografia a scansione laser ad alta velocità.

Le nuove scoperte, pubblicato il 3 agosto in Scienza , sono i primi a dimostrare che l'elicità mantiene un valore costante durante il flusso di fluidi viscosi. La dinamica dei vortici ha importanti applicazioni nella vita di tutti i giorni; meteorologi, Per esempio, considera l'elicità come un fattore che contribuisce alla formazione di tornado di supercelle.

"Il fatto che abbiamo alcune misurazioni per la prima volta che mostrano l'elicità può essere preservato, soprattutto in presenza di stiramenti, può tradursi direttamente in quegli sforzi, " disse William Irvine, professore associato di fisica, che ha pubblicato i risultati insieme a quattro coautori.

Colpi di scena

Nella loro ultima ricerca, i fisici hanno studiato tre forme correlate di elicità:torsione, collegandosi e contorcendosi. Le tre forme sono semplicemente modi diversi per descrivere forme geometricamente correlate che sono state attorcigliate o allungate. Ogni tubo a vortice può essere visualizzato come un fascio di filamenti, simili a quelli legati insieme in una corda ritorta.

"Se prendi un pezzo di corda o o un cavo telefonico e lo avvolgi, allora diremmo che il centro di questa corda o cavo telefonico si contorce, " disse Irvine. "E se poi prendessimo questa cosa che abbiamo arrotolato e l'abbiamo tirata dritto, vedresti attorcigliarsi lungo la sua lunghezza."

Simulare l'elicità in quei flussi è stato difficile a causa delle scale ampiamente separate ma interconnesse in cui operano. Il lavoro precedente era stato in gran parte teorico e comprendeva ipotesi, fluidi più semplici totalmente privi di viscosità. I calcoli hanno mostrato che l'elicità è stata conservata in questi ipotetici fluidi, ma la viscosità è emersa come un fattore significativo nel flusso dei fluidi effettivi.

"Uno dei problemi principali è che è necessario campionare o misurare le caratteristiche del flusso che esistono su scale di lunghezza molto diverse, " disse Martin Scheeler, l'autore principale dello studio, che ha recentemente completato il suo dottorato in fisica all'UChicago. Le scale vanno dal diametro di un vortice (circa 30 centimetri o un piede) al diametro del suo nucleo sottile (circa un millimetro o tre centesimi di pollice).

"Devi misurare il flusso all'interno del nucleo e l'evoluzione complessiva della forma di quel vortice, "Ha detto Irvine. "Questa è una bella separazione." Ha caratterizzato il lavoro di Scheeler nel superare le sfide sperimentali - tracciando simultaneamente i dettagli fini del flusso mentre ancora misurando le dinamiche critiche su larga scala - come "un tour de force".

"Sono le cose più stravaganti che funzionano"

Il gruppo di Irvine aveva precedentemente utilizzato le bolle per condurre ricerche pionieristiche sulla dinamica dei vortici nei loro esperimenti sui serbatoi d'acqua. Le misure di elicità, però, richiesto qualcosa di diverso, che è stato fornito casualmente attraverso lo Sharpie.

Il colorante è stato a lungo utilizzato negli esperimenti sui vortici, ma meno precisamente. In precedenti esperimenti, il colorante è stato messo diffusamente nel serbatoio, e poi i vortici li avvolgerebbero. Ma il pennarello ha offerto l'opportunità di posizionare con precisione il colorante al centro dei vortici, come Scheeler dipinse faticosamente punti su tutta la lunghezza degli aliscafi.

"Non ci eravamo davvero resi conto che fosse una possibilità fino a quando non abbiamo visto la tintura sanguinare dall'aliscafo, "disse Scheeler, che apprezzava la creatività e la libertà coinvolte nella progettazione di esperimenti per un nascente campo della fisica.

"Non c'è davvero nessun playbook, ed è davvero emozionante, " ha detto. "Puoi provare tutti i tipi di cose diverse, e a volte sono le cose più stravaganti che funzionano."