Sulla spiaggia nei Paesi Bassi nel 2016. Anelli dalla forma strana. È lo stesso effetto che stiamo vedendo? Qui, sono in gioco molti effetti diversi. Credito:Simen Andreas Ådnøy Ellingsen, NTNU
Ha risolto su carta un problema di fisica vecchio di 127 anni e ha dimostrato che potevano esistere scie di barche decentrate. Cinque anni dopo, gli esperimenti pratici gli diedero ragione.
"Vedere le immagini sullo schermo del computer è stata la migliore giornata di lavoro che abbia mai avuto, "dice Simen Ådnøy Ellingsen, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Energia e dei Processi della NTNU.
Quello era il giorno in cui Ph.D. il candidato Benjamin Keeler Smeltzer e lo studente di master Eirik Æsøy avevano dimostrato in laboratorio che Ellingsen aveva ragione e gli avevano inviato le foto dell'esperimento. Cinque anni fa, Ellingsen aveva sfidato la conoscenza accettata dal 1887, armato di carta e penna, e vinto.
Ha risolto un problema riguardante il cosiddetto Kelvinangle nelle scie delle barche, incontrastato da 127 anni. La scia della barca è il modello a forma di V che una barca o una canoa fa quando si muove nell'acqua. Ne hai sicuramente visto uno ad un certo punto.
39 gradi
È stato a lungo ipotizzato che l'angolo della scia a forma di V dietro una barca dovrebbe essere sempre appena inferiore a 39 gradi, purché l'acqua non sia troppo bassa. Indipendentemente dal fatto che sia dietro una superpetroliera o un'anatra, questo dovrebbe essere sempre vero. O no. Perché come tanti fatti accettati, questo risulta essere sbagliato, o almeno non sempre è così. Ellingsen lo ha mostrato.
"Per me, era un campo completamente nuovo, e nessuno mi ha detto che era difficile, " Ellingsen ha spiegato quando ha fatto la sua prima scoperta.
Senza correnti, le onde ad anello sono cerchi perfetti. Ma con le correnti sotto la superficie, gli anelli sono oblunghi e decentrati. Attestazione:NTNU
Le scie delle barche possono effettivamente avere un'angolazione completamente diversa in determinate circostanze, e può anche essere decentrato rispetto alla direzione della barca. Questo può accadere quando ci sono correnti diverse in diversi strati d'acqua, noto come flusso di taglio. Per flusso di taglio, La teoria di Kelvin sulle scie delle barche non è applicabile.
"Ci è voluto il genio di persone come Cauchy, Poisson e Kelvin per risolvere questi problemi con le onde per la prima volta, anche per il caso più semplice di acqua ferma senza correnti. È molto più facile per noi capire i casi più generali in seguito, come abbiamo fatto qui, "Ellingsen spiega.
Anelli oblunghi
Anche le onde ad anello si comportano in modo divertente in determinate circostanze. Se lanci un sassolino in un lago in una tranquilla giornata estiva, il motivo a onde sarà perfetto, cerchi concentrici. Ma non se c'è flusso di taglio. Quindi, gli anelli potrebbero trasformarsi in ovali. Ellingsen ha anche previsto questo, ampliando la teoria di Cauchy e Poisson dal 1815.
"Dopo aver fatto i primi calcoli, Ero su una spiaggia nei Paesi Bassi e guardavo l'acqua scorrere indietro dopo un'onda. Ho fatto degli anelli nell'acqua e ho scattato delle foto. Guardandoli dopo, gli anelli mi sembravano oblunghi, e mi sono piuttosto emozionato. Quella non era scienza, Certo, ma ora lo è!" dice Ellingsen.
La ricerca di laboratorio supporta i calcoli
Fu così che Ellingsen finì sulla copertina di Journal of Fluid Mechanics . Ma tutti i suoi calcoli erano stati fatti su carta, e doveva ancora essere osservato empiricamente.
La barca si muove alla stessa velocità in tutte queste foto, 50 cm/s. Secondo la teoria di Kelvin, tutte e tre queste scie dovrebbero sembrare uguali, ma non lo fanno. Prova a contare le onde trasversali dietro la barca (il piccolo punto bianco nella parte superiore di ogni immagine). A sinistra:onde oblique. Qui, la superficie non si muove, ma c'è una corrente sotto la superficie. Centro:Stessa velocità, anche con la superficie a riposo, ma per questo caso c'è una corrente sottomarina contro la direzione del moto. A destra:per questo caso, la barca e la corrente sottomarina si muovono nella stessa direzione, ancora senza movimento superficiale. (Questo è poco dopo che la barca ha iniziato a muoversi, così puoi vedere che le onde sono più vicine tra loro sul retro). Attestazione:NTNU
Ora, però, c'è una ricerca di laboratorio a sostegno del suo lavoro, grazie al dottorato candidato e studente di master che sono stati in grado di condurre esperimenti in un serbatoio di ricerca appositamente sviluppato, con Ellingsen come loro supervisore.
Eirik Æsøy ha un passato come tecnico, che ha risparmiato tempo e denaro nella costruzione del laboratorio. Ci sono voluti circa sei mesi per far funzionare tutto.
"Æsøy e io abbiamo installato tutte le attrezzature per creare le correnti di cui avevamo bisogno, " Smeltzer spiega. I loro risultati sono stati pubblicati anche nel Journal of Fluid Mechanics .
"È davvero notevole che gli esperimenti del nostro piccolo bacino di onde vengano pubblicati lì, "dice Smeltzer.
Applicazioni pratiche
I risultati della loro ricerca sull'angolo di Kelvin potrebbero avere conseguenze pratiche reali, come potenzialmente contribuire a ridurre il consumo di carburante nelle navi. Una grande porzione di carburante sulle navi effettivamente va a fare le onde.
"Il consumo di carburante può raddoppiare se la nave viaggia a valle rispetto a quella a monte, " ha detto Ellingsen.
Questi calcoli sono fatti sulla base delle correnti alla foce del fiume Columbia in Oregon negli Stati Uniti. Qui le correnti sono forti e le barche numerose.
Quindi la ricerca su barche e navi in diverse correnti è importante per chiunque sia interessato a ridurre il consumo di carburante e, di conseguenza, emissioni.
Sveglia in barca davanti alla barca
Ellingsen insiste che i loro risultati non confutano la teoria di Kelvin, solo estenderlo. L'angolo di Kelvin è ancora valido finché non ci sono strati di corrente sotto la superficie quando l'acqua è profonda.
Ma non appena c'è movimento tra gli strati d'acqua, in modo che diversi strati si muovano a velocità diverse, l'angolo cambia. A volte di molto. In teoria, con correnti estremamente forti che si muovono perpendicolarmente alla direzione della barca, la scia può effettivamente finire davanti alla barca su un lato.
"Allora dovresti probabilmente andare a vela da qualche altra parte, "dice Ellingsen.
