I fenomeni che coinvolgono la tensione superficiale sono estremamente complessi e hanno applicazioni nella nostra vita quotidiana, e i ricercatori dell'OIST stanno affrontando la complicata matematica alla base della fisica.

Gli effetti della tensione superficiale sono di importanza centrale in molti fenomeni quotidiani:fa sì che piccole gocce di pioggia si attacchino alle finestre, crea bolle quando aggiungi detersivo nel lavandino, e spinge gli insetti acquatici sulla superficie degli stagni. Induce perfino le "lacrime di vino", un anello di liquido limpido vicino alla sommità del bordo interno di un bicchiere di vino da cui si formano continuamente goccioline che ricadono nel vino sottostante. Però, nonostante la sua onnipresenza e la lunga storia di osservazioni scientifiche, la tensione superficiale - e l'interazione dei liquidi con diverse tensioni superficiali - non è ancora completamente compresa. Di fronte alla complessità del problema, modelli semplificati sono stati utilizzati per decenni. Ma ora, I ricercatori dell'OIST hanno compiuto un nuovo passo verso una comprensione più completa, riportato in Journal of Fluid Mechanics , affrontando un'intricata proprietà della tensione superficiale. Il risultato rivela che un'approssimazione comunemente usata fornisce risultati sorprendentemente accurati, nonostante la complessità del problema.

Il lavoro è una continuazione di studi precedenti in cui gli scienziati dell'OIST hanno studiato il movimento delle goccioline di acetone spinte dalla tensione superficiale, scivolando sulla superficie dell'acqua.

"Poiché il fenomeno è così complicato, Ho pensato al sistema più semplice che non è stato ancora studiato, cercando di indovinare le forze applicate sulla goccia che la farebbero muovere, " ha spiegato il dottor Stoffel Janssens. "Questo è un piccolo passo verso la comprensione completa di come una goccia di liquido si muove sull'acqua a causa della tensione superficiale".

I ricercatori in Matematica, Meccanica, and Materials Unit guidata dal Prof. Eliot Fried ha progettato un semplice dispositivo a forma di recipiente rettangolare pieno d'acqua, in cui un cilindro fisso è parzialmente sommerso. Un tensioattivo - una molecola organica che diminuisce la tensione superficiale - viene applicato sulla superficie dell'acqua su un lato del cilindro, che consente agli scienziati di misurare i profili delle parti prive di tensioattivi e delle parti cariche di tensioattivi della superficie dell'acqua. Queste misurazioni hanno aiutato gli scienziati a costruire un modello teorico che viene utilizzato per determinare le forze che agiscono sul cilindro.

L'essenza della complessità risiede nella geometria:la superficie dell'acqua curva verso il cilindro e la curvatura dipende direttamente dalla tensione superficiale. Con un tensioattivo su un lato del cilindro, i profili della superficie dell'acqua su ciascun lato del cilindro sono asimmetrici a causa delle diverse curvature, il che rende matematicamente più complesso il calcolo delle forze sul cilindro. Fino ad ora, un modello semplificato ignorava queste curve assumendo che la superficie dell'acqua rimanesse completamente piana su entrambi i lati del cilindro.

Gli scienziati hanno descritto il problema con tre approcci indipendenti:hanno calcolato prima numericamente le forze meccaniche applicate al cilindro, che richiedono l'aiuto di un computer per fornire soluzioni per le equazioni complesse. Ispirato dai risultati numerici, sono passati a un metodo analitico, indicato anche come metodo "carta e penna", per confermare il modello.

"Con il metodo numerico, è necessario fornire all'algoritmo i valori di input, quindi in un certo senso stai risolvendo le equazioni per casi molto specifici, " ha commentato il prof. Fried. "Si può avere un'idea di quello che sta succedendo ma non si può fornire una prova generale. Se lo fai analiticamente con carta e penna, senza aver scelto particolari valori numerici, allora hai qualcosa che si applica in generale."

I ricercatori hanno infine analizzato il problema utilizzando un terzo approccio indipendente basato sull'energia anziché sulle forze meccaniche.

Tutti e tre i metodi portano allo stesso risultato inaspettato:possiamo tranquillamente ignorare la curvatura dell'interfaccia acqua-aria poiché le forze calcolate sono uguali a quelle ottenute dal modello semplificato, dove si presume che la superficie dell'acqua sia piatta.

"Non possiamo escludere la possibilità che ignorare la curvatura dell'interfaccia acqua-aria porterebbe a errori inaccettabili, " ha commentato il dottor Janssens. " Sorprendentemente, però, si scopre che il modello semplificato utilizzato per decenni è molto accurato!"

Oltre a risolvere un problema complesso, il risultato di questa ricerca fornisce maggiore fiducia nelle misurazioni come la bilancia di Langmuir che è stata utilizzata nel secolo scorso. Inoltre, questo è il primo passo verso la comprensione del complesso fenomeno di una goccia di acetone che scivola sull'acqua a causa della tensione superficiale.

"Questo lavoro potrebbe essere visto come un approccio riduzionista, dove abbiamo fatto un passo indietro rispetto a quel fenomeno così complicato e cerchiamo di risolverlo a tratti partendo dalle caratteristiche più elementari, " ha concluso il Prof. Fried. "Ora possiamo passare a un problema un po' più impegnativo, per esempio dove il cilindro può scivolare sopra il fluido."