Un team di ricercatori dell'Université Côte d'Azur e dell'Università di Hokkaido ha recentemente condotto uno studio che esplora la formazione spontanea di modelli a spirale osservati sulla superficie libera rivolta verso il basso di un film liquido orizzontale. La superficie da loro esaminata comporta instabilità di Rayleigh-Taylor, che destabilizza l'interfaccia tra due fluidi di diversa densità quando il fluido più pesante spinge verso il basso quello più leggero.

I ricercatori hanno osservato che lo scarico di liquido risultante da questa instabilità può verificarsi sotto forma di cortine liquide propaganti, che sono generati alla periferia circolare del film e appaiono come bracci a spirale rotanti verso l'interno. Utilizzando un automa cellulare costruito fenomenologicamente, hanno dimostrato che questi modelli derivano dall'aggancio di fase, che porta ad uno scarico intermittente di liquido a portata costante su tutta la superficie del film.

"Circa 15 anni fa, Il Dr. Laurent Limat e i suoi colleghi hanno studiato la dinamica spazio-temporale delle colonne liquide che si muovono liberamente lungo il bordo di un piatto circolare, "Cristiano Mathis, uno dei ricercatori che hanno condotto il presente studio, detto Phys.org . "Ispirati dal loro lavoro, abbiamo iniziato lo studio di un assemblaggio bidimensionale di colonne liquide, sperando di descrivere tutte le instabilità secondarie legate alle perdite di simmetria. Abbiamo appena trovato una tale instabilità, ma abbiamo scoperto che ci trovavamo di fronte a un sistema piuttosto semplice che mostrava un comportamento estremamente ricco."

Nel loro studio, Mathis e i suoi colleghi hanno osservato che l'aumento della portata ha dato origine a una serie di schemi complessi, compreso un reticolo esagonale regolare di gocce, un reticolo esagonale regolare di colonne, comportamento spazio-temporale intermittente delle colonne e, finalmente, tende liquide che formano onde a spirale.

L'apparato che hanno usato è abbastanza semplice, costituito principalmente da un recipiente cilindrico semichiuso, con olio di silicone che vi versa continuamente attraverso un'imboccatura nella parte superiore e una griglia a maglie fini nella parte inferiore. La nave contiene una quantità costante di olio, determinata dall'equilibrio di una pressione negativa nel recipiente e dal peso dell'olio.

Il liquido in eccesso nel recipiente fuoriesce attraverso la griglia e forma un film liquido al di sotto di essa. Questo film destabilizza in modi diversi, a seconda della portata e della viscosità dell'olio. All'interno di questo apparato, tutto è realizzato in PMMA trasparente, in quanto ciò consente una facile osservazione e misurazioni video precise con illuminazione adattata.

"A una portata sufficientemente elevata, appaiono tende liquide, si muovono come onde e, finiscono per avvolgersi attorno a un punto centrale e formare bracci a spirale rotanti, Mathis ha spiegato. "Abbiamo misurato la frequenza di rotazione di ogni braccio e di tutto il modello e la lunghezza delle braccia. L'osservazione chiave è la formazione spontanea di spirali attraverso la rottura della simmetria rotazionale del sistema".

I modelli a spirale possono essere trovati in molti sistemi, sia in esperimenti di laboratorio che in natura. La maggior parte di questi modelli di spirali ruotano, con i bracci a spirale che seguono la direzione di questa rotazione. I modelli che ruotano nella direzione opposta sono piuttosto rari e sono indicati come antispirali.

"Abbiamo dimostrato che i modelli antispirali possono essere prodotti in un semplice sistema liquido, per cui conosciamo tutte le equazioni di governo, "Harunori Yoshikawa, un altro ricercatore che ha condotto lo studio, detto Phys.org . "Un'indagine approfondita su questo 'noto' sistema fornirebbe approfondimenti su rari casi di modelli antispirali".

L'esperimento condotto da Yoshikawa, Mathis e i loro colleghi potrebbero aprire la strada a ulteriori studi che esplorano la manifestazione dei modelli antispirali. Inoltre, il loro studio potrebbe fornire un punto di riferimento per le teorie sulla formazione dei modelli.

"Ora ci stiamo concentrando sulla modellazione teorica, cercando un'equazione modello appropriata e gli intervalli di parametri coinvolti, " ha detto Yoshikawa. "Speriamo di poter rivelare teoricamente le caratteristiche essenziali di questi processi di formazione del modello".

I ricercatori stanno anche esplorando altri modelli osservati nel loro sistema, poiché le spirali rotanti verso l'interno erano semplicemente una delle loro osservazioni. Ad esempio, il regime di gocciolamento e alcuni dei comportamenti peculiari delle colonne liquide devono ancora essere ampiamente studiati. Nello studio condotto da Mathis, Yoshikawa e i loro colleghi, la dinamica delle spirali appariva correlata alle caratteristiche del film liquido stesso, una scoperta che stanno anche cercando di esplorare ulteriormente.

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