Ricercatori del Weizmann Institute of Science, l'Università di Roma, Il CNRS e l'Università di Helsinki hanno recentemente condotto uno studio che indaga la differenza tra la turbolenza anisotropa 3-D nei fluidi classici e quella nei superfluidi, come l'elio. Le loro scoperte, pubblicato in Lettere di revisione fisica ( PRL ), sono supportati sia dalla teoria che da prove sperimentali.

"La presente ricerca è stata avviata dal nostro gruppo presso l'Istituto Weizmann, Israele, composto da Victor L'vov, Itamar Procaccia e Anna Pomyalov, che stavano cercando di comprendere nuove osservazioni sperimentali da parte dei gruppi del Prof. Wei Guo della Florida State University, Tallahassee e il Prof. Ladislav Skrbek dell'Università Carlo, a Praga, "Itamar Procaccia, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il nostro obiettivo principale era comprendere un'apparente differenza sorprendente nel modo in cui l'energia si distribuisce tra vortici turbolenti di diverse scale nei fluidi viscosi classici come aria e acqua e superfluidi come l'elio a basse temperature".

Tutti i flussi turbolenti, sia in natura che in laboratorio, sono anisotropi su scale di iniezione di energia, il che significa che l'energia si distribuisce in modo diverso tra i loro vortici turbolenti. Studi precedenti hanno dimostrato che il modello di turbolenza omogenea e isotropa (HIT) è particolarmente efficace per prevedere le proprietà statistiche della turbolenza su scale molto più piccole delle scale di agitazione, ancora più grande delle scale dissipative.

Nei fluidi classici, La turbolenza anisotropa 3-D tende all'isotropia e all'omogeneità con scale decrescenti, quindi è eventualmente possibile applicare loro il modello HIT. Nel loro studio, però, Procaccia e i suoi colleghi hanno dimostrato che per il superfluido è vero il contrario ⁴ Ha turbolenza nella geometria 3-D del canale controcorrente, che diventa meno isotropa al diminuire delle squame, fino a diventare quasi bidimensionale.

L'approccio da loro utilizzato prevede un cosiddetto "modello a due fluidi" dell'elio superfluido. Questo modello si basa sui primi lavori di Laszlo Tisza e Lev Landau nel 1940-1941, che fu poi migliorato da H. Hall, W.F. vino, IM Khalatnikov, e I.L Bekarevich.

"Il modello descrive l'elio superfluido come una miscela compenetrante di due fluidi:un superfluido che si muove senza attrito, e un normale fluido viscoso che sono accoppiati da un reciproco attrito, " ha spiegato Procaccia.

Studi precedenti condotti da due gruppi di ricercatori a Tallahasse, Florida e Praga hanno esaminato l'elio superfluido sotto un gradiente di temperatura, creando quello che viene chiamato 'controflusso'. Come suggerisce il nome, in controcorrente diverse componenti di un flusso di fluido in direzioni opposte; il superfluido scorre dal lato freddo al lato caldo e il fluido normale dal lato caldo a quello freddo.

"Il nostro modello ha razionalizzato alcune di queste osservazioni sperimentali e ha previsto nuove caratteristiche che sono state successivamente confermate sperimentalmente, " ha spiegato Procaccia. "Il risultato principale del nostro studio è che contrariamente ai classici flussi turbolenti che diventano sempre più isotropi a scale più piccole, il flusso che abbiamo esaminato diventa sempre meno isotropo man mano che le scale si riducono."

Prima di svolgere il loro studio, Procaccia e i suoi colleghi avevano teoricamente previsto che i loro esperimenti avrebbero portato alle osservazioni che successivamente avrebbero raccolto. Però, la forza dell'effetto che hanno osservato è diventata chiara solo dopo aver effettuato simulazioni numeriche dirette su un supercomputer dell'UE, in collaborazione con un team di ricercatori guidato da Luca Biferale. Secondo Procaccia, i loro risultati teorici e numerici hanno già motivato altri gruppi sperimentali a proseguire la ricerca sulla turbolenza controcorrente.

"All'Istituto Weizmann, ora stiamo sviluppando ulteriormente la nostra teoria, essendo attenti alle nuove tecniche sperimentali che consentono studi elaborati di turbolenza nell'elio superfluido, Procaccia ha detto. "Il nostro gruppo continua a partecipare all'analisi di nuovi dati sperimentali, sperando di contribuire a una comprensione più profonda dei flussi di superfluidi dagli esperimenti di laboratorio alla realizzazione cosmologica, come le stelle di neutroni".

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