C'è un interessante fenomeno di fluidodinamica che si verifica ogni mattina in milioni di ciotole di cereali. Quando rimangono solo alcuni pezzetti di cereali che galleggiano sopra il latte, tendono a raggrupparsi al centro o intorno ai bordi della ciotola, piuttosto che disperdersi sulla superficie.

Ora un team di ricercatori della Brown University ha sviluppato un modo per misurare le forze coinvolte in questo tipo di raggruppamento. è la prima volta, dicono i ricercatori, che queste forze sono state misurate sperimentalmente in oggetti alla scala millimetro/centimetro. E le implicazioni del lavoro vanno ben oltre le ciotole di cereali:i risultati potrebbero essere utili per guidare l'autoassemblaggio di micromacchine o per progettare robot su microscala che operino dentro e intorno all'acqua.

"Ci sono stati molti modelli che descrivono questo effetto Cheerios, ma è stato tutto teorico, " ha detto Ian Ho, uno studente universitario alla Brown e autore principale di un articolo che descrive il lavoro. "Nonostante il fatto che questo sia qualcosa che vediamo ogni giorno ed è importante per cose come l'autoassemblaggio, nessuno aveva effettuato misurazioni sperimentali su questa scala per convalidare questi modelli. Questo è quello che siamo stati in grado di fare qui".

La ricerca è pubblicata su Lettere di revisione fisica. I coautori di Ho erano Giuseppe Pucci, uno studioso in visita a Brown, e Daniel Harris, un assistente professore alla Brown's School of Engineering.

L'effetto Cheerios deriva dall'interazione tra gravità e tensione superficiale, la tendenza delle molecole sulla superficie di un liquido ad aderire tra loro, formando una sottile pellicola sulla superficie. Piccoli oggetti come Cheerios non sono abbastanza pesanti da rompere la tensione superficiale del latte, così galleggiano. Il loro peso, però, crea una piccola ammaccatura nella pellicola superficiale. Quando un'ammaccatura di Cheerio si avvicina abbastanza a un'altra, cadono l'uno nell'altro, fondendo le loro ammaccature ed eventualmente formando grappoli sulla superficie del latte.

Per testare quanto fortemente Cheerios e altri oggetti nella gamma di dimensioni e peso di Cheerio si attraggano l'un l'altro, i ricercatori hanno utilizzato un apparato su misura che utilizza il magnetismo per misurare le forze. L'esperimento prevede due dischi di plastica di dimensioni Cheerio, uno dei quali contiene un piccolo magnete, galleggiando in una piccola vasca d'acqua. Le bobine elettriche che circondano la vasca producono campi magnetici, che può tirare via il disco magnetizzato mentre l'altro è tenuto in posizione. Misurando l'intensità del campo magnetico nell'istante in cui i dischi iniziano ad allontanarsi l'uno dall'altro, i ricercatori potrebbero determinare la quantità di forza attrattiva.

"Il campo magnetico ci ha fornito un modo non meccanico di applicare forze a questi corpi, "Ha detto Harris. "Questo era importante perché le forze che stiamo misurando sono simili al peso di una zanzara, quindi se tocchiamo fisicamente questi corpi interferiremo con il modo in cui si muovono".

Gli esperimenti hanno rivelato che un modello matematico tradizionale dell'interazione in realtà predice la forza dell'attrazione quando i dischi sono posizionati molto vicini tra loro. All'inizio i ricercatori non erano sicuri di cosa stesse succedendo, finché non si accorsero che quando due dischi si avvicinano, iniziano a inclinarsi l'uno verso l'altro. L'inclinazione fa sì che il disco spinga più forte contro la superficie del liquido, che a sua volta aumenta la forza con cui il liquido spinge indietro. Quella spinta in più si traduce in una forza di attrazione leggermente maggiore tra i dischi.

"Ci siamo resi conto che c'era una condizione in più che il nostro modello non soddisfaceva, che era questa inclinazione, "Ha detto Harris. "Quando abbiamo aggiunto quell'ingrediente al modello, abbiamo ottenuto un accordo molto migliore. Questo è il valore di andare avanti e indietro tra teoria ed esperimento".

I risultati potrebbero essere utili nella progettazione di macchine e robot su microscala, dicono i ricercatori. c'è interesse, Per esempio, nell'usare piccoli robot simili a ragni che possono scivolare sulla superficie dell'acqua per eseguire il monitoraggio ambientale. Questo lavoro fa luce sui tipi di forze che questi robot dovrebbero incontrare.

"Se hai più piccole macchine che si muovono o due o più gambe di un robot, devi sapere quali forze esercitano l'una sull'altra, "Ha detto Harris. "È un'area di ricerca interessante, e il fatto che potremmo contribuire con qualcosa di nuovo è eccitante".