La turbolenza è ovunque, nel movimento del vento, le onde dell'oceano e persino i campi magnetici nello spazio. Può essere visto anche in fenomeni più transitori, come fumo che esce da un camino, o un colpo di tosse.

Comprendere quest'ultimo tipo di turbolenza, chiamata turbolenza a sbuffo, è importante non solo per il progresso della scienza fondamentale, ma anche per misure pratiche in materia di salute e ambiente, come calcolare quanto lontano viaggeranno le goccioline della tosse, o come gli inquinanti rilasciati da un camino o da una sigaretta potrebbero disperdersi nell'ambiente circostante. Ma la creazione di un modello completo di come si comportano turbolenti sbuffi di gas e liquidi si è finora dimostrata elusiva.

"La natura stessa della turbolenza è caotica, quindi è difficile da prevedere, " ha detto il professor Marco Edoardo Rosti, che guida l'Unità di fluidi e flussi complessi presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "turbolenza del soffio, che si verifica quando l'espulsione di un gas o di un liquido nell'ambiente viene interrotta, piuttosto che continuo, ha caratteristiche più complicate, quindi è ancora più impegnativo studiare. Ma è di vitale importanza, specialmente in questo momento per comprendere la trasmissione aerea di virus come SARS-CoV-2".

Fino ad ora, la teoria più recente è stata sviluppata negli anni '70, e focalizzato sulla dinamica di un soffio solo alla scala del soffio stesso, come la velocità con cui si è mosso e quanto si è diffuso.

Il nuovo modello, sviluppato in collaborazione tra il Prof. Rosti dell'OIST, Giappone e il Prof. Andrea Mazzino dell'Università di Genova in Italia, si basa su questa teoria per includere come si comportano le fluttuazioni minime all'interno del soffio, e come le dinamiche su larga scala e su piccola scala sono influenzate dai cambiamenti di temperatura e umidità. I loro risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica il 25 agosto 2021.

interessante, gli scienziati hanno scoperto che a temperature più basse (15°C o inferiori), il loro modello deviava dal modello classico per la turbolenza.

Nel modello classico, la turbolenza regna sovrana, determinando come si comportano tutti i piccoli vortici e vortici all'interno del flusso. Ma una volta che le temperature si sono abbassate, galleggiabilità ha iniziato ad avere un impatto maggiore.

"L'effetto della galleggiabilità è stato inizialmente molto inaspettato. È un'aggiunta completamente nuova alla teoria dei soffi turbolenti, " ha detto il prof. Rosti.

La galleggiabilità esercita un effetto quando il soffio di gas o liquido è molto più caldo della temperatura dell'ambiente circostante in cui viene rilasciato. Il gas o il fluido caldo è molto meno denso del gas o del fluido freddo dell'ambiente, e quindi il soffio si alza, permettendogli di viaggiare ulteriormente.

"La galleggiabilità genera un tipo molto diverso di turbolenza:non solo si vedono cambiamenti nel movimento su larga scala del soffio, ma anche cambiamenti nei minuti movimenti all'interno del soffio, " ha detto il prof. Rosti.

Gli scienziati hanno usato un potente supercomputer, in grado di risolvere il comportamento del soffio alla grande e alla piccola scala, per eseguire simulazioni di soffi turbolenti, che ha confermato la loro nuova teoria.

Il nuovo modello potrebbe ora consentire agli scienziati di prevedere meglio il movimento delle goccioline nell'aria che vengono rilasciate quando qualcuno tossisce o parla senza maschera.

Mentre le gocce più grandi cadono rapidamente a terra, raggiungere distanze di circa un metro, le goccioline più piccole possono rimanere nell'aria molto più a lungo e viaggiare ulteriormente.

"La velocità con cui le goccioline evaporano, e quindi quanto sono piccole, dipende dalla turbolenza, che a sua volta è influenzato dall'umidità e dalla temperatura dell'ambiente circostante, " ha spiegato il Prof. Rosti. "Possiamo ora iniziare a prendere queste differenze di condizioni ambientali, e come influenzano la turbolenza, in considerazione quando si studia la trasmissione virale per via aerea".

Prossimo, i ricercatori hanno in programma di studiare come si comportano gli sbuffi quando sono composti da fluidi non newtoniani più complicati, dove la facilità con cui i flussi di fluido possono cambiare a seconda delle forze a cui è sottoposto.

"Per il COVID, questo potrebbe essere utile per studiare gli starnuti, dove i fluidi non newtoniani come la saliva e il muco vengono espulsi con forza, " ha detto il dottor Rosti.