Se un fluido scorre attraverso l'impianto idraulico domestico o le condutture industriali di petrolio e gas, quando scorre lentamente il suo flusso è regolare, ma quando corre veloce il suo flusso è più caotico.

Più di 130 anni fa, Il fisico e ingegnere britannico Osborne Reynolds ha descritto il fluido che scorre a basse velocità come "laminare, ' nel senso che scorre dolcemente in un'unica direzione, e fluido che scorre ad alta velocità come 'turbolento, ' nel senso che sperimenta cambiamenti caotici di pressione ed energia. Reynolds ha sviluppato una serie di equazioni per descrivere la relazione tra la velocità alla quale scorre un fluido e l'attrito che si crea tra esso e il tubo.

Gli ingegneri usano ancora oggi le "leggi di resistenza" di Reynolds per calcolare quanta energia viene persa per attrito quando liquidi e gas scorrono attraverso un tubo. Però, un mistero è rimasto irrisolto:cosa succede quando un flusso passa da laminare a turbolento?

"Nel flusso di transizione, l'attrito varia senza schemi distinguibili, "dice il dottor Rory Cerbus, un ricercatore post-dottorato presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Fino ad ora, le leggi di resistenza per il flusso di transizione erano sconosciute, rendendo difficile calcolare l'attrito e la perdita di energia durante questo tipo di flusso.

Cerbus e altri ricercatori dell'Unità di meccanica dei fluidi e dell'Unità di fisica del continuum dell'OIST hanno trovato una soluzione sorprendentemente semplice a questo enigma vecchio di 130 anni. "Abbiamo dimostrato che, anche se lo stato di transizione sembra essere un serraglio di stati di flusso, questi possono essere caratterizzati da leggi che già conosciamo, "dice il professor Pinaki Chakraborty, capo dell'Unità di Meccanica dei Fluidi. "Questo semplifica un problema fondamentale."

È noto che il flusso di transizione consiste in chiazze intermittenti di diversi tipi di flusso, che si alternano lungo la condotta. Nell'approccio standard alla misurazione dell'attrito nel flusso di transizione, sono semplicemente ammassati insieme.

I ricercatori dell'OIST hanno invece analizzato separatamente le chiazze di flusso regolare e caotico. Hanno fatto scorrere l'acqua attraverso un tubo di vetro di 20 metri. Aggiungendo piccole particelle all'acqua e illuminandola con un laser, potevano misurare la velocità del flusso. Ciò ha permesso loro di identificare chiaramente le macchie alternate di flusso regolare e caotico nel flusso di transizione. Hanno quindi misurato l'attrito all'interno dei singoli cerotti utilizzando sensori di pressione.

"Abbiamo ripetuto un esperimento da manuale che viene regolarmente fatto da migliaia di laureandi in ingegneria ogni anno in tutto il mondo, "dice Cerbo, autore principale dell'articolo, che è stato recentemente pubblicato in Lettere di revisione fisica . "Abbiamo usato essenzialmente gli stessi strumenti, ma con la distinzione cruciale di analizzare le patch separatamente, " lui dice.

I ricercatori hanno dimostrato che, nonostante le complessità esteriori, la legge di resistenza per le chiazze lisce è coerente con il flusso laminare, mentre la legge di resistenza per le zone caotiche è coerente con il flusso turbolento. Perciò, il flusso di transizione può essere studiato utilizzando le leggi di resistenza originali di Reynolds.

Capire quanta energia è necessaria per pompare il fluido attraverso una tubazione quando scorre nello stato di transizione potrebbe aiutare le industrie, come raffinerie di petrolio, ridurre al minimo gli sprechi energetici e migliorare l'efficienza.

"Se guardi bene, scopri che spesso c'è semplicità dietro la complessità, "dice Chakraborty.