I ricercatori della Utah State University stanno inviando cascate d'acqua in un serbatoio per scoprire un mistero della dinamica dei fluidi.

Dopo uno studio di ricerca durato un anno, il team di ingegneri e di dinamica dei fluidi ha svelato la fisica dietro un fenomeno sottomarino unico che è stato paragonato alla bambola Matrioska, la tradizionale bambola russa all'interno di una bambola.

In uno studio pubblicato la scorsa settimana su Journal of Fluid Mechanics , i ricercatori dello Splash Lab dell'USU descrivono cosa succede quando le gocce d'acqua in rapida successione colpiscono una superficie calma e creano una cavità d'aria sotto l'acqua.

"Quando un flusso di goccioline colpisce la superficie, tira l'aria sotto e crea una cavità piena d'aria, ", afferma l'autore principale e candidato al dottorato Nathan Speirs. "Le forme delle cavità variano in base ai parametri di impatto come il diametro della goccia e la velocità all'impatto".

Quando un flusso d'acqua continuo, un getto, colpisce la superficie dell'acqua, forma una forma cilindrica, profondo, cavità stretta. Quando le goccioline a lenta successione colpiscono l'acqua, formano singole cavità che si chiudono e collassano prima che la goccia successiva colpisca. Il team di Splash Lab voleva sapere cosa succede quando le goccioline in rapida successione colpiscono l'acqua. Il risultato è una serie unica di cavità all'interno di cavità che crea un aspetto a coste.

"Se la frequenza delle goccioline che cadono è abbastanza alta, le gocce colpiscono lo stesso punto e creano cavità annidate, " disse Speirs. "Ogni goccia successiva forma una cavità alla base della cavità precedente."

Distinguere la soglia tra alta e bassa frequenza è una parte fondamentale dei risultati del team. Speirs dice che non c'è mai stato un numero che definisca quella soglia. Così lui e il suo team ne hanno sviluppato uno.

"Possiamo definire i tipi di cavità in base a un nuovo numero adimensionale che chiamiamo numero matrioska. Se il numero è inferiore a uno, la cavità collasserà prima che la goccia successiva colpisca. Se è sopra uno, prevediamo di vedere la formazione di cavità nidificate".

I ricercatori affermano che il loro studio offre nuove applicazioni alla vita di tutti i giorni.

"È noto da tempo che un getto di fluido si trasforma in un flusso di goccioline a pochi centimetri dalla sorgente del getto, ", ha affermato il coautore e professore associato dell'USU Tadd Truscott. "Ciò significa che quando i comuni getti quotidiani colpiscono una pozza d'acqua, come l'acqua da un rubinetto in un lavello della cucina, o un flusso di urina che cade in una toilette:i flussi di goccioline creano cavità simili a quelle che stiamo studiando allo Splash Lab."

Comprendere le sfumature dei tipi di schizzi potrebbe portare a dispositivi che riducono gli schizzi e forniscono ambienti più puliti.

Nell'industria, una comprensione più approfondita di questo aspetto mai spiegato prima della fluidodinamica potrebbe anche portare a progressi nella produzione di prodotti chimici e farmaceutici. Speirs afferma che i risultati sono particolarmente utili per lo sviluppo di processi più sicuri ed efficienti in cui il ritorno di fiamma è una preoccupazione.