In un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters , gli scienziati esplorano come piccoli getti d'acqua possono creare oscillazioni periodiche stabili su un disco solido, scoprendo una connessione tra questi movimenti e le onde che generano e fornendo informazioni sull'interazione dinamica del comportamento dei fluidi.
Un salto idraulico è un fenomeno che si verifica quando un liquido che scorre velocemente incontra improvvisamente una regione che scorre più lentamente o stagnante. Questa transizione improvvisa provoca un cambiamento nelle caratteristiche del flusso, causando la formazione di un salto visibile o di un aumento dell'altezza del liquido.
In questo processo, l'energia cinetica del liquido che scorre velocemente viene convertita in energia potenziale, portando a cambiamenti nella velocità e nella profondità del flusso. Questo fenomeno si osserva comunemente in vari contesti, ad esempio quando un getto liquido colpisce una superficie, ad esempio nei fiumi o a valle delle dighe.
Ora, alcuni ricercatori francesi hanno studiato uno scenario in cui un salto idraulico circolare subisce oscillazioni periodiche stabili su un disco solido.
Spiegando la motivazione del team dietro lo studio, l'autore principale Aurélien Goerlinger ha dichiarato a Phys.org:"Il salto idraulico è un fenomeno onnipresente che sembra semplice. Tuttavia, è controintuitivo poiché la natura preferisce transizioni fluide rispetto a quelle brusche.
"Di conseguenza, il salto idraulico è difficile da modellare, nonostante sia stato studiato fin dai tempi di Da Vinci. Poiché molti aspetti fondamentali restano da comprendere o addirittura scoprire, il salto idraulico rimane un campo di studio attivo per il nostro team."
L'impostazione sperimentale dello studio prevedeva la generazione di salti idraulici circolari su un disco solido utilizzando un getto d'acqua submillimetrico.
I ricercatori hanno avviato un getto d'acqua submillimetrico, con un diametro interno di 0,84 mm, diretto su un disco di plexiglas con una superficie con un angolo di 90 gradi posizionato 1 cm sotto il punto di impatto.
Questo processo ha portato alla formazione di uno schema circolare di discontinuità in cui il liquido ha formato una pellicola sottile attorno al punto di impatto. Il film sottile si ispessiva improvvisamente ad una certa distanza radiale, dando origine alla caratteristica forma circolare del salto idraulico.
Per aiutare a visualizzare questo fenomeno, Goerlinger ha fornito un'analogia, affermando:"Quando si apre il rubinetto della cucina e si guarda il fondo del lavandino vicino all'impatto del getto liquido, possiamo osservare una parete liquida approssimativamente circolare che separa due aree distinte .
"L'area interna, vicino al getto, è poco profonda ma il flusso è veloce, mentre l'area esterna è molto più profonda ma anche il flusso è molto più lento. Questa parete liquida è chiamata salto idraulico circolare."
I ricercatori hanno poi variato i parametri sperimentali, tra cui la velocità del flusso (da 2 a 3 ml/s) e il raggio del disco (da 1 a 6 cm). Hanno osservato diversi comportamenti basati su questi parametri, come salti stazionari, stati transitori con oscillazioni, stati bistabili con oscillazioni periodiche e oscillazioni periodiche sistematiche stabili.
L'analisi ha rivelato che il periodo di oscillazione non dipendeva dalla portata ma mostrava una dipendenza lineare dal raggio del disco.
È interessante notare che, per raggi del disco superiori a 5 cm, i punti dati hanno mostrato due tendenze lineari distinte con pendenze diverse, indicando due modalità di oscillazione distinte, che i ricercatori chiamano modalità fondamentale e armonica.
I ricercatori hanno sviluppato un modello teorico per spiegare le oscillazioni spontanee stabili osservate, suggerendo che derivino dall'interazione tra il salto idraulico e le onde di gravità superficiale formate all'interno della cavità del disco.
Le onde di gravità superficiale si propagano lungo la superficie del liquido e si riflettono sul bordo del salto idraulico circolare. Questa riflessione contribuisce all'instaurazione e al mantenimento delle oscillazioni. Inoltre, si dice che queste onde siano amplificate quando si allineano con una delle modalità della cavità del disco.
Sorprendentemente, il modello teorico dei ricercatori non solo spiega le oscillazioni osservate ma fornisce anche capacità predittive. Anticipava l'accoppiamento di getti distanti per indurre oscillazioni in fasi opposte, fenomeno confermato attraverso l'osservazione sperimentale.
In termini pratici, ciò significa che il flusso e riflusso ritmico di un getto d'acqua potrebbe influenzare le oscillazioni dell'altro, creando una danza sincronizzata in cui gli alti e bassi di un getto corrispondono inversamente a quelli dell'altro.
Goerlinger ha sottolineato l'importanza del loro lavoro:"Nonostante ricerche approfondite su questo fenomeno, è stato riscontrato che il salto idraulico circolare rimane stazionario nella maggior parte dei casi. Tuttavia, il nostro è il primo a segnalare oscillazioni spontanee stabili del salto idraulico che si verificano durante l'impatto del getto è stabile Inoltre, siamo riusciti a costruire un modello che prevede il comportamento di queste oscillazioni."
Modellando con successo le oscillazioni periodiche stabili, il quadro teorico contribuisce a una comprensione più profonda delle complesse dinamiche coinvolte nei salti idraulici.
Questa comprensione può avere implicazioni per vari campi, tra cui la dinamica dei fluidi e le relative applicazioni ingegneristiche.
"I salti idraulici sono di grande interesse nelle aree in cui sono necessari il raffreddamento e la pulizia delle superfici. Potrebbe anche trovare interesse nelle stampanti ad alta velocità o 3D", ha spiegato Goerlinger.
Goerlinger ritiene che con questa ricerca si stia solo grattando la superficie e ha spiegato che intendono continuare la ricerca in questo settore.
"Abbiamo esplorato solo parzialmente la ricca fisica di questo nuovo fenomeno. Restano da indagare gli effetti di molti parametri sperimentali, come le proprietà dei fluidi o la geometria del substrato.
"Inoltre, il nostro lavoro apre la strada allo studio delle interazioni tra più salti oscillanti e delle interazioni tra salti idraulici e onde in generale", ha concluso.
Ulteriori informazioni: Aurélien Goerlinger et al, Oscillazioni e modalità di cavità nel salto idraulico circolare, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.194001
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