L'acqua fermerà facilmente un proiettile, ma non può impedire a una palla di affondare in una bolla.

Questo è il notevole risultato di una serie di esperimenti che hanno mostrato per la prima volta oggetti che affondano nell'acqua con una resistenza quasi nulla, finalmente dimostrando una teoria del XVIII secolo in fisica.

I nuotatori lo sperimentano, i pesci hanno evoluto le loro forme eleganti per minimizzarlo, le navi ne sono rallentate, e i sottomarini usano abbondanti quantità di energia per sconfiggerlo. Il trascinamento rallenta tutto in acqua, e rimuoverlo è il Santo Graal della meccanica dei fluidi.

Miglioramenti di appena il 5 o il 10% di riduzione della resistenza possono avere un impatto importante sull'efficienza del carburante e sulla velocità, ma cosa succede se si riduce la resistenza del 1000 per cento?

Un team di ricercatori dell'Università di Melbourne, Kind Abdullah University of Science and Technology Arabia Saudita, e l'Institute of High Performance Computing di Singapore l'hanno decifrato. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Progressi scientifici .

L'esperimento sembra semplice. Fai cadere una palla di metallo larga 2 centimetri in una pozza profonda. La palla forma una grande bolla di gas a forma di lacrima allungata su se stessa e poi la palla più la bolla affondano insieme. Fai i conti e si scopre che questa palla subisce una resistenza dieci volte inferiore rispetto a un oggetto solido con la stessa forma.

sembra semplice, ma non lo è. Questo esperimento richiede un insieme molto particolare di condizioni, e il team ha trascorso anni a comprenderne le basi teoriche.

Si inizia con la palla, o per essere precisi, due palle.

"Ci sono due modi in cui possiamo creare questi strati di gas, "dice il professor Derek Chan, un matematico dell'Università di Melbourne, e uno dei responsabili dello studio.

"Il primo è riscaldare una sfera di metallo a una temperatura molto elevata, e il secondo consiste nell'utilizzare una superficie superidrofoba.

"Per la prima, scaldiamo la palla a 400 gradi Celsius, e riscaldiamo l'acqua a 95 gradi Celsius, appena al di sotto del suo punto di ebollizione.

"Quando la palla colpisce l'acqua fa bollire una piccola quantità d'acqua immediatamente intorno ad essa, creando uno strato di vapore acqueo. Alla giusta combinazione di temperatura della palla e dell'acqua questo strato diventa stabile, quindi la palla è completamente racchiusa nel gas. Lo chiamiamo stato di Leidenfrost".

Questa è la versione "inside-out" del fenomeno che la maggior parte dei cuochi vedrebbe regolarmente quando aggiungono piccole quantità d'acqua in una padella molto calda, e le gocce d'acqua scivolano sulla padella, perché sono sollevati da un film di vapore sostenuto dalla superficie calda.

Il secondo tipo di palla funziona respingendo l'acqua intorno ad essa. Idrofobico significa letteralmente "odio per l'acqua". Pensa alle perline d'acqua e alla fuoriuscita di una giacca in Goretex. E quando qualcosa è superidrofobico, che l'odio è profondo.

La palla è rivestita in un prodotto chiamato Glaco Mirror Coat Zero, in realtà è venduto come rivestimento idrorepellente spray per specchietti laterali sulle auto. È così efficace nel respingere l'acqua che nelle giuste condizioni la palla mantiene uno strato di gas tra se stessa e l'acqua anche quando è completamente sommersa.

"Il vantaggio del rivestimento superidrofobo è che funziona in acqua a temperatura ambiente, "dice il professor Chan.

il dottor Ivan Vakarelski e il professor Sigurdur Thoroddsen, che guidano la parte della squadra della King Abdullah University, diciamo che ci sono molti modi per ridurre la resistenza.

"Le fossette sulle palline da golf ne sono un esempio, come è il disegno sulla pelle di uno squalo, "dice il dottor Vakarelski.

"Il rilascio di bolle d'aria davanti a un oggetto che si muove nell'acqua può ridurre significativamente la resistenza, come può usare una superficie idrofoba."

Il professor Thoroddsen afferma che l'idea alla base di tutte queste strategie è cambiare il modo in cui il fluido, come l'acqua o l'aria, scorre intorno all'oggetto, particolarmente vicino all'oggetto, in quello che viene chiamato lo strato limite.

"Nei nostri esperimenti precedenti, abbiamo strati di gas stabili intorno a queste palle, ma erano spesse meno di 1 millimetro, " lui dice.

"Ciò ha contribuito a ridurre la resistenza del 10 o 20 percento, ma questo non bastava, così abbiamo iniziato a pensare a come creare una bolla più grande attorno a queste palle".

Hanno iniziato a far cadere le palle da varie altezze, e ho scoperto che alla giusta gamma di altezze, una grande cavità di gas è stata creata attorno alla palla, e questa forma è stata mantenuta mentre la palla affondava nell'acqua.

Il dottor Evert Klaseboer dell'Institute of High Performance Computing e il professor Chan, che ha svolto l'analisi teorica e la modellazione, sono entusiasti di come questa scoperta abbia preso un concetto puramente teorico e lo abbia reso reale.

"C'è una teoria ben nota in questo campo, che la forza di trascinamento su un oggetto ideale, con superficie antiscivolo, cadrà a zero, "dice il dottor Klaseboer.

"Questo è il noto paradosso di d'Alembert e il nostro risultato è una realizzazione del 21° secolo di un risultato teorico del 18° secolo.

"Nello studio della fluidodinamica, abbiamo sempre usato una sfera ipotetica perché non siamo stati in grado di creare un oggetto con una superficie a scorrimento libero – fino ad ora.

"Il movimento delle palle, come la suddetta pallina da golf, è impossibile da prevedere con una formula matematica a causa dell'azione caotica della turbolenza, ma la sfera nella cavità non ha turbolenza e può essere descritta da equazioni molto semplici. Potrebbe diventare un esempio da manuale di alcune teorie idrodinamiche fondamentali".

Questa ricerca ha importanti implicazioni per lo sviluppo di veicoli marini efficienti dal punto di vista energetico.

"Le attuali tecnologie si basano sull'iniezione di bolle di gas vicino allo scafo, "dice il professor Chang.

"Sono in fase di sviluppo anche veicoli che hanno una superficie superidrofobica in grado di sostenere naturalmente strati d'aria sottili.

"Queste tecnologie possono ottenere una riduzione della resistenza del 10 o forse del 20%, mentre il nostro esperimento dimostra che, nel migliore dei casi, è possibile una riduzione dell'ordine di grandezza.

"Questo ora fissa l'obiettivo per la ricerca futura in questo settore".