Utilizzando quattro fotocamere per smartphone a basso costo e una semplice retroilluminazione colorata, I ricercatori di KAUST hanno rinunciato a costose apparecchiature fotografiche di livello per la ricerca e laser pericolosi per costruire un sistema di velocimetria a immagine di particelle tomografiche (PIV) in grado di visualizzare quantitativamente il flusso. Lo studio proof-of-concept dimostra il potere di ricerca dei dispositivi di uso quotidiano, e mette uno strumento all'avanguardia a portata di mano di un gruppo più ampio di ricercatori ed educatori.

Il PIV tomografico è considerato il Santo Graal della meccanica dei fluidi sperimentale:consente di osservare i campi di flusso in tre dimensioni con una risoluzione spaziale fine tracciando il movimento delle particelle traccianti utilizzando una serie di fotocamere digitali. La tecnica prevede l'illuminazione del volume del fluido con un laser ad alta intensità e la registrazione della luce diffusa dalle particelle traccianti utilizzando costosi, alta velocità, telecamere ad alta sensibilità. Queste immagini vengono quindi elaborate da semplici algoritmi di ricostruzione tomografica per riprodurre la posizione delle particelle e tracciare il loro movimento nel tempo per fornire il campo di velocità 3D.

"Avere accesso al PIV tomografico per la prima volta consente il calcolo di strutture vorticose complete in un flusso turbolento, " dice Sigurdur Thoroddsen che ha guidato il gruppo di ricerca. "Questo può avvantaggiare molte applicazioni che coinvolgono turbolenze, come la miscelazione o la riduzione della resistenza per i flussi su profili alari o auto di Formula 1 e persino lo studio di nuotatori e animali volanti.

"Ma la tecnica è proibitiva per molti ricercatori, " continua Thoroddsen. "Riteniamo che dovrebbe essere possibile utilizzare dispositivi consumer tradizionali per produrre ricerche di alta qualità su vari problemi di flusso".

Il sistema PIV per smartphone è costituito da quattro fotocamere per smartphone da 41 megapixel posizionate a diverse angolazioni attorno al volume del flusso, in questo caso un serbatoio di vetro riempito con acqua in movimento e particelle traccianti di polistirene che formano un flusso ad anello a vortice. Per superare la scarsa sensibilità delle fotocamere del telefono, le fotocamere sono state impostate per fotografare le ombre delle particelle traccianti proiettate dal blu, luci LED verdi e rosse, imprimendo nella stessa immagine tutti e tre i colori (vedi immagine). I risultati si confrontano bene con quelli ottenuti utilizzando un sistema PIV tomografico commerciale, con deviazioni nel flusso di circolazione inferiori all'8 per cento.

"Con l'aggiunta dello zoom ottico come si vede su alcuni degli ultimi telefoni, e la possibilità di registrare video clip "4k" o anche video al rallentatore, ci aspettiamo di vedere un aumento significativo delle possibilità di questo approccio, " dice Thoroddsen. "Abbiamo già preordinato gli ultimi telefoni per estendere il nostro lavoro".