Introduzione
Le meduse che si muovono attraverso i mari facendo pulsare dolcemente i loro corpi simili a sacchi potrebbero non avere molti segreti che potrebbero interessare gli ingegneri umani. Ma semplici come sono le creature, le meduse sono abili nell'imbrigliare e controllare il flusso dell'acqua intorno a loro, a volte con sorprendente efficienza. In quanto tali, incarnano soluzioni sofisticate a problemi di dinamica dei fluidi da cui ingegneri, matematici e altri professionisti possono imparare. Giovanni Dabiri, esperto di ingegneria meccanica e aerospaziale presso il California Institute of Technology, parla con Steven Strogatz in questo episodio di ciò che le meduse e altre creature acquatiche possono insegnarci sulla progettazione dei sottomarini, sul posizionamento ottimale delle turbine eoliche e sulla salute dei cuori umani.
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Trascrizione
Steven Strogatz (00:03): Sono Steve Strogatz e questo lo è La gioia del perché, un podcast da Quanta Magazineche ti porta in alcune delle più grandi domande senza risposta in matematica e scienze oggi.
(00:14) La gente dice che la biologia è un grande insegnante per gli ingegneri. Pensa solo a tutto ciò che un'aquila in volo può insegnarci sull'aerodinamica. Il mio ospite di oggi ha pensato che una medusa sarebbe stata una cosa istruttiva da studiare per uno stage estivo in ingegneria. E anni dopo, sta ancora studiando le meduse per la ricchezza di informazioni che hanno da offrire sulla dinamica dei fluidi, argomento di questo episodio.
(00:36) Cosa può insegnarci il movimento delle meduse e dei banchi di pesci sul movimento dell'aria, dell'acqua e persino del sangue? Studiando la matematica di come i banchi di pesci si muovono all'unisono, il nostro ospite oggi è stato in grado di capire come posizionare le turbine eoliche per generare energia pulita in modo più efficiente. Ma non è tutto. Si scopre che il modo in cui nuota una medusa può persino informarci sulla salute di un cuore umano. E le meduse ci hanno insegnato nuovi trucchi sulla propulsione subacquea, che potrebbero essere utili per una nuova generazione di progettazione di sottomarini. Ma lasciamo che il nostro ospite John Dabiri ci dica di più. È professore di ingegneria meccanica e aerospaziale al Caltech. Ha vinto il Premio Waterman nel 2020, la più alta onorificenza della nazione per scienziati e ingegneri all'inizio della carriera. È anche un membro del presidente Biden Consiglio dei consulenti per la scienza e la tecnologia. Benvenuto, Professor John Dabiri.
Giovanni Dabiri (01:31): Grazie, Steve. È bello essere qui.
Strogatz (01:33): È davvero un grande piacere averti qui. Ci conosciamo da un po', ma non credo che abbiamo mai avuto occasione di parlare di lavoro prima, quindi sono entusiasta di questo. Sai, devo confessare, anche se parleremo molto con te delle meduse, non ho mai tenuto in mano una medusa, non sono mai stato punto da una medusa.
dabiri (01:51): Ti stai perdendo. Ho fatto entrambe le cose.
Strogatz (01:55): Come mai? Com'è stato il tuo incontro ravvicinato con le meduse che ha coinvolto la puntura?
dabiri (02:00): Beh, sai, in realtà era un servizio fotografico che stavo facendo per una rivista e il fotografo ha pensato che sarebbe stato carino per me avere un contatto ravvicinato con i miei soggetti. E così mi ha portato in acqua e mi ha detto di tenermi stretto la gelatina. E nel frattempo, i suoi tentacoli hanno iniziato a gocciolare sulle mie gambe. E quindi è stato un servizio fotografico molto doloroso, ma abbiamo ottenuto lo scatto.
Strogatz (02:21): Stai facendo una smorfia nella foto?
dabiri (02:23): Sai, in qualche modo sono riusciti a far sembrare che io stessi sorridendo e godendomi l'intera faccenda, anche se era piuttosto infelice.
Strogatz (02:29): Beh, mi dispiace, non ti sottoporremo a niente di tutto questo oggi.
dabiri (02:31): Grazie, grazie.
Strogatz (02:33): Quindi, sai, quando vedo, tipo, nei programmi TV di David Attenborough o in altri spettacoli sulla natura, meduse che nuotano intorno, sembrano quasi una borsa, come una borsa di cellophane che viene semplicemente spinta in giro dall'acqua . Ma so che non può essere giusto. Non sono solo nuotatori passivi. Quindi puoi dirci un po'? Come si muovono? Hanno muscoli?
dabiri (02:52): Sì, e infatti le meduse sono i primi animali che conosciamo in grado di muoversi nell'oceano. Quel nuoto che vedi in quei documentari è alimentato da un singolo strato di cellule. Pensa a uno strato di muscolo molto sottile che è in grado di contrarsi ed espandersi con un ritmo quasi come il battito del tuo cuore. E questo permette loro di spingersi attraverso l'oceano.
Strogatz (03:13): Quindi quando parli del ritmo, questo mi fa pensare, quindi, devono avere anche un sistema nervoso che controlla i muscoli.
dabiri (03:20): In effetti, le meduse non hanno affatto un sistema nervoso centrale. Non hanno neanche un cervello. Tutto quello che hanno sono questi piccoli gruppi di cellule intorno al loro corpo che dicono loro quando attivare i muscoli, quando contrarsi. E così usano quei muscoli per coordinare il loro movimento di nuoto in un modo molto diverso da come ci muoviamo io e te.
Strogatz (03:39): Ehm. Quindi, è... C'è un campanello, giusto? Parlano della campana. Cosa si intende per campana?
dabiri (03:42): Esatto. Quindi, se guardi una medusa in un acquario, sembra un ombrello o una borsa come hai detto. E attorno al bordo inferiore di quell'ombrello, ci sono un paio di grappoli, di solito circa otto. E quelli sono i luoghi in cui il corpo invia i segnali per nuotare, per contrarre il muscolo. E così, coordinando quei segnali di contrazione, sono in grado di nuotare nell'acqua con un consumo di energia molto basso nel processo.
Strogatz (04:12): Sì, non posso assolutamente identificarmi con questo quando penso al mio nuoto, che è così imbarazzante e consuma un sacco di - e spreca un sacco di energia. Quindi cosa stai dicendo qui? Dici che sono dei nuotatori molto efficienti? Cosa intendi?
dabiri (04:27): Sappiamo che le meduse furono tra i primi animali a nuotare più di 200 milioni di anni fa. Sono sopravvissuti a eventi di estinzione di massa. E così per molto tempo si è pensato che ci dovesse essere qualcosa nella loro capacità di muoversi in modo efficiente che ha permesso loro di sopravvivere così a lungo negli oceani, di sopravvivere anche di fronte a nuotatori più esotici come delfini e squali, quelli a cui potresti pensare quando pensi a un eccellente nuotatore.
(04:53) Bene, si scopre che la forma del corpo molto semplice di queste gelatine, il semplice ombrello, crea quelli che vengono chiamati anelli di vortice. Pensa a una ciambella di acqua vorticosa. Quindi ogni volta che l'animale contrae i suoi muscoli, crea questa ciambella d'acqua. E si spinge quasi via da quella ciambella di acqua vorticosa per muoversi attraverso l'acqua senza dover usare molta energia nel processo. Quindi è una nuotata molto diversa da quella che tu o io cercheremmo di fare nell'oceano, ma è piuttosto efficace.
Strogatz (05:25): Così all'improvviso mi viene in mente un'immagine. Dimmi se sono sulla strada sbagliata con questo o no. Ma da bambino al campo estivo, ricordo di aver fatto canoa. E volevano che mettessimo la pagaia in acqua. E mi è stato detto di fare un colpo a J, in cui spingi indietro con la pagaia e poi piegalo indietro. E potevi vedere dei piccoli vortici, dei piccoli vortici d'acqua, uscire da lì.
dabiri (05:46): Esatto.
Strogatz: Quel colpo, è rilevante per ciò di cui stai parlando con i vortici?
dabiri (05:50): Lo è. Quindi in tutto l'oceano, e infatti, anche adesso, mentre vi parlo, la mia bocca spinge l'aria intorno a me e crea queste correnti vorticose che chiamiamo vortici. Quindi, quando nuoti, crei quei vortici. Quella pagaia della canoa crea questi vortici vorticosi. La differenza delle meduse nei loro anelli a vortice è che hanno questa forma circolare quasi perfetta. E quella forma circolare permette loro di nuotare con un'efficienza migliore di quella che tu o io siamo in grado di generare accarezzando le nostre braccia o una pagaia da canoa. Quindi è davvero la forma di quei vortici, quelle correnti vorticose, che è la chiave del loro nuoto molto efficiente. Ed è quello che per molto tempo abbiamo cercato di capire svelando il mistero di come questi animali siano sopravvissuti così a lungo nell'oceano. Sono davvero quegli anelli circolari a vortice che sono la chiave.
Strogatz (06:41): Quindi vediamo se ho l'immagine giusta nella mia testa. Quando parli di un anello circolare a vortice, ora l'altra immagine che mi viene in mente è quella... non... La gente non fuma più come una volta, ma sai dove sto andando, vero? Ad esempio, ci sono ragazzi che fumeranno sigari o persone che soffiano anelli di fumo.
dabiri (06:57): Esattamente.
Strogatz: È il tipo di cerchio che dovrei immaginare uscire dalle labbra arrotondate di qualcuno?
dabiri (07:02): Assolutamente. Quando io, quando insegnavo, questo era l'esempio che usavo classicamente (ma ora stiamo cercando di scoraggiare il fumo o lo svapo). Ma se immagini una versione non tossica di quell'esempio, hai perfettamente ragione. Sono quegli anelli di fumo che le persone soffierebbero che sembrano una ciambella d'aria ed è vorticoso, e mantiene quella forma circolare per lunghe distanze dalla persona che l'ha soffiata.
(07:23) Forse un'altra versione di questo è che a volte vedrai i delfini fare questo nell'oceano, giocando con anelli di bolle che hanno una forma simile a loro. È una ciambella d'acqua con aria intrappolata al centro. E il modo in cui i delfini sono in grado di mantenere quegli anelli in quel caso è dovuto alla stabilità di quel particolare tipo di corrente vorticosa. È davvero unico nella dinamica dei fluidi.
Strogatz (07:47): Va bene, per quanto sia divertente parlare di meduse, e devo ammettere che sono molto simpatiche ed efficienti. Ma per quelle persone là fuori che ascoltano che potrebbero chiedersi, perché ci stiamo impegnando così tanto per loro? Aiutaci a capire in modo più ampio. Di cosa si occupa la fluidodinamica? Dove si applica nel resto della scienza o della tecnologia?
dabiri (08:09): Sì, quindi la dinamica dei fluidi è tutto intorno a noi. In effetti, per me, una delle aree di applicazione davvero entusiasmanti, crescendo come aspirante ingegnere meccanico, era pensare a razzi ed elicotteri più efficaci, sistemi di propulsione in generale. Ora, sappiamo che questo campo della dinamica dei fluidi, lo studio di come si muovono l'aria e l'acqua, è davvero complicato in termini di movimento che l'acqua o l'aria fanno, in termini di come cerchiamo di descriverlo usando la fisica. E così è emerso un movimento, ormai un paio di decenni fa, per dire: perché non studiamo alcuni sistemi animali che l'hanno già capito, capito come nuotare in modo efficiente o come volare in modo efficiente? Puoi effettivamente tornare indietro di secoli a Leonardo da Vinci e cercare di capire come sviluppare il volo a propulsione umana osservando gli uccelli. Quindi c'è in realtà una lunga eredità nello studio dei sistemi naturali per trarre ispirazione su come sviluppare tecnologie più efficaci. È così che sono entrato in campo.
(08:29) Si scopre che anche un animale molto semplice come la medusa ha molto da insegnarci a causa di come interagiscono con l'acqua in modo così elegante. Ed è proprio questo che ci ha spinti a studiare le meduse in particolare in questo campo più ampio di quella che a volte viene chiamata biomimetica, o ingegneria bioispirata. Guardando la biologia per trovare soluzioni per le sfide ingegneristiche.
(09:08) Ma le meduse sono nate, in realtà, dal mio desiderio di inventare un comodo progetto estivo. Ero qui al Caltech per un progetto di ricerca estivo e il mio consulente qui ha detto: "Andiamo all'acquario e proviamo a trovare un sistema animale da studiare", nello stesso modo in cui nei miei anni universitari studiavo elicotteri e razzi. Ad essere sincero, non ne ero entusiasta. A quel tempo, pensavo di venire al Caltech per studiare razzi e propulsione. Il Caltech ha il Jet Propulsion Laboratory, per il quale è famoso. Ma siamo arrivati all'acquario e ho pensato: “Bene, ho un progetto di 10 settimane qui. Fammi scegliere l'animale più semplice che riesco a trovare. Sai, dovrebbe essere più facile trovare un modello semplice per questo. E così la medusa sembrava una via d'uscita facile. E ovviamente, eccoci qui 20 anni dopo, e sto ancora cercando di capire come funzionano.
Strogatz (10:17): Devo dire che, come matematico, sono sempre stato attratto dalla dinamica dei fluidi perché è così difficile. Alcuni dei problemi matematici più difficili che abbiamo affrontato nell'area che mi interessa, nelle equazioni differenziali, sono sorti per la prima volta in connessione con problemi di dinamica dei fluidi. Quindi hai menzionato - OK, quindi razzi, propulsione a reazione per - potremmo pensare agli aeroplani, ci sono applicazioni mediche -
Dabiri (10:42): Absolutely. We just came out of Covid [Covid-19]. I mean, to give you a very present example: Questions about the transmission of Covid really were fluid dynamics questions. How do the aerosols form? How are they transmitted? How are they collected on other people? If I want to design a mask, what’s an effective way to do that? In climate change, modeling the Earth’s climate is in large part a fluid dynamics problem. Fluid dynamics shows up in all aspects of our life.
(11:11) Quello che penso sia davvero eccitante di questo studio dei sistemi animali è che, dal mio punto di vista, se stai costruendo un aeroplano, è un essere umano che si siede davanti a un computer e cerca di risolvere quelle equazioni molto complesse che hai descritto per capire qual è la forma ideale dell'ala, qual è la forma ideale del resto dell'aereo. In un certo senso, le meduse risolvono ogni giorno equazioni alle derivate parziali mentre nuotano nell'acqua.
(11:35) E quindi dobbiamo solo capire esattamente cosa c'è nel loro nuoto che permette loro di arrivare a quella particolare soluzione a quelle equazioni differenziali. E poi la speranza è che possiamo applicarlo ai nostri problemi di progettazione in cui non abbiamo gli stessi vincoli che hanno avuto le meduse nell'evoluzione. Abbiamo un cervello, un sistema nervoso centrale e più di un singolo strato cellulare di muscoli con cui lavorare. Abbiamo materiali ingegnerizzati con cui possiamo lavorare. Ora abbiamo l'intelligenza artificiale con cui lavorare. Quindi, se combiniamo ciò che sappiamo sulle meduse con tutti gli strumenti a nostra disposizione come ingegneri, davvero il limite è il cielo a ciò che possiamo sviluppare.
Strogatz (12:09): Bene, allora entriamo nella questione di come lo fanno le meduse. Che tipo di esperimenti hai fatto per capire come usano gli anelli di vortice che generano quando contraggono la loro campana?
dabiri (12:21): Quindi la prima sfida da affrontare è il fatto che l'acqua e l'aria sono trasparenti. Quindi, anche se siamo seduti qui a parlare tra di noi, l'aria intorno a noi è in costante movimento a causa del nostro respiro. Non possiamo davvero percepirlo. La stessa cosa vale per l'acqua. Se vai in un acquario, per te l'attrazione principale sono probabilmente gli animali, ma per me è l'acqua che li circonda. Il problema è che non puoi vedere facilmente quel movimento dell'acqua solo fissando il serbatoio. Quindi quello che abbiamo fatto è stato sviluppare alcune nuove tecnologie per aiutarci a misurare l'acqua che circonda gli animali.
(12:53) La prima cosa che potresti fare è pensare di mettere del colorante nell'acqua, come un colorante alimentare, perché questo mostrerà come viene trasportata l'acqua a livello locale. È un'immagine qualitativa. Ti dà una sorta di descrizione generale, ma non qualcosa su cui puoi facilmente inserire numeri per dire che l'acqua si sta muovendo così velocemente in questa direzione.
(13:11) Ma quello che possiamo fare è usare alcune tecniche comuni in ingegneria. Usando i laser, per esempio. Quindi nell'acqua ci sono minuscoli particolati sospesi: pensate alla sabbia o al limo sospesi nell'acqua. Possiamo illuminarlo con fogli laser. Prendi un puntatore laser che potresti avere a casa e fallo brillare attraverso una bacchetta di vetro, e diffonderà quel raggio in un sottile foglio di luce. Quindi mettiamo quel foglio di luce attraverso l'acqua. Si riflette su tutte quelle particelle sospese che si trovano nell'acqua. E ora possiamo seguire ciascuna di quelle piccole particelle, quasi come una notte stellata in movimento. Questo è un po' come appaiono i video. E ognuna di quelle stelle, quelle particelle di sedimento nell'acqua, ci dice qualcosa su come l'acqua si muove localmente intorno all'animale.
(13:56) Quindi abbiamo sviluppato queste tecniche in laboratorio. La grande sfida quindi è andare a cercare le meduse sul campo e misurarle effettivamente. Ho avuto la fortuna di trovare studenti disposti ad andare a nuotare con le meduse e portare con sé i laser.
Strogatz (14:10): Ma allora... fammi capire... Puoi portare il puntatore laser o qualsiasi altra cosa sott'acqua e non ci sono problemi.
dabiri (14:15): Bene, questo faceva parte di... lo studente, Kakani [Katija] era il suo nome. Il suo dottorato di ricerca la tesi era sviluppare la tecnologia per permetterci di fare questo. In modo che un subacqueo possa entrare nell'oceano, avvicinarsi molto attentamente a queste meduse e poi essere in grado di accendere il laser e misurare l'acqua intorno a loro. E si scopre che è riuscita a catturare per la prima volta le correnti vorticose con dettagli davvero squisiti.
Strogatz (14:42): E c'è anche qualche impostazione per la videocamera?
dabiri (14:45): C'è. In effetti, quella tecnologia di imaging è in gran parte basata su video. Quindi stai ricevendo un video di quell'acqua in movimento, le particelle di sedimento che riflettono la luce laser. E quindi osservando come l'acqua intorno all'animale si muove con l'evolversi del tempo, possiamo capire che in alcuni casi gli animali non immettono molta energia nell'acqua per muoversi. Lo chiamiamo moto efficiente. Quando possono andare avanti senza dover sollevare molta acqua intorno a loro.
(15:12) È interessante notare che alcune specie di meduse nuoteranno raramente, ma quando lo fanno, è in una modalità di sopravvivenza, è per sfuggire a un predatore o per catturare la loro preda. In quei casi, metteranno davvero molta energia nell'acqua. Il nostro pensiero su questo è che è una questione di sopravvivenza. Non sei così preoccupato per l'efficienza quando si tratta di uccidere o essere ucciso. E così in quei casi, siamo anche in grado di vedere una differenza nell'acqua intorno agli animali, il tutto catturato da questa tecnica laser.
Strogatz (15:41): OK, forse l'intera foto della mia borsa di cellophane è così sbagliata, e devo togliermela dalla testa, ma mi sembra che incontrerebbe così tanta resistenza, anche se ha un bel, movimento coordinato. Ci deve essere qualche trucco nel modo in cui questi anelli di vortice si comportano per aiutare il movimento ad essere efficiente quanto lo è. Le tue misurazioni hanno rivelato qualcosa di sorprendente o complicato che stanno facendo le meduse?
dabiri (16:05): Sì, è un'ottima domanda. E ci sono un paio di modi per pensarci. Prima di tutto, dovrei tornare indietro e dire in termini di comportamento delle meduse, una delle differenze tra ciò che fanno naturalmente e ciò a cui potremmo pensare nei nostri sottomarini, le meduse usano quelle stesse correnti per nutrirsi. Quindi, mentre creano questi anelli di vortice, quella corrente vorticosa attira effettivamente la preda verso i loro tentacoli, dove viene catturata e mangiata.
(16:30) E quindi è molto plausibile che in realtà il movimento che vediamo — loro che si spostano dal punto A al punto B — non sia in realtà il risultato desiderato. È solo l'inevitabile conseguenza delle leggi di azione e reazione di Newton. In alcuni casi, gli animali creano questi anelli di vortice solo per attirare la preda. Ma poiché stanno spingendo quell'acqua, la reazione è che si muovono nel processo. E quindi per loro quel movimento efficiente non è necessariamente cercare di arrivare da qualche parte in fretta.
(16:59) Quello che siamo stati in grado di fare è dire: “Prendiamo la stessa idea, la formazione dell'anello di vortice. Il nostro sottomarino non ha bisogno di nutrirsi allo stesso modo delle meduse”. E quindi possiamo andare più veloci, per esempio, usando la stessa tecnica di propulsione, anche se i veri animali non lo fanno. Questa è davvero la distinzione tra una copia meccanica della biologia, sai, che risale ai giorni in cui le persone cercavano di raggiungere il volo a propulsione umana sbattendo le ali molto forte. Alla fine, abbiamo avuto successo usando ali fisse e attaccando un motore a reazione sulla cosa. E questo era il trucco. Quindi qui, vogliamo stare attenti a non copiare ciecamente ciò che fanno le meduse, ma a chiederci quali aspetti del suo comportamento portano a una propulsione efficiente. E poi, quando vogliamo progettare un sottomarino veloce ed efficiente, possiamo deviare dal progetto che ci hanno dato gli animali.
Strogatz (17:50): Quindi, per quanto riguarda il design dei sottomarini futuristici, c'è qualche principio o osservazione che abbiamo tratto dalla medusa che potrebbe suggerire una sorta di nuovo folle design?
dabiri (18:02): Abbiamo esplorato questa domanda. E ancora una volta la chiave sono questi anelli a vortice, queste vorticose correnti circolari a forma di ciambella. Se riusciamo a trovare un progetto sottomarino che possa crearli, ma che non richieda il movimento molto flessibile di una medusa naturale, allora abbiamo scoperto che in realtà potrebbe essere un importante valore aggiunto agli attuali progetti sottomarini. L'abbiamo testato in laboratorio. Quindi quello che puoi fare è prendere un sottomarino a elica convenzionale e aggiungere un attacco meccanico sul retro che invece di avere un flusso di getto continuo regolare spinto nella parte posteriore, crea un flusso più mosso. Quindi pensa a una pulsazione del flusso dietro il veicolo. Siamo stati in grado di dimostrare che quel veicolo potrebbe essere il 30 o anche il 40% più efficiente dal punto di vista energetico rispetto allo stesso tipo di veicolo senza quella pulsazione nel flusso.
(18:55) Ora, la parte difficile qui è trovare un design meccanico che non sia eccessivamente complesso. Se rendi quella parte troppo complessa, sostituirai quei componenti. E infatti, quegli stessi componenti meccanici possono assorbire energia dal veicolo. E quindi non siamo stati in grado di elaborare un design che raggiunga la dinamica dei fluidi ispirata alla medusa senza componenti meccanici eccessivamente complessi. E questo è stato il mistero irrisolto lì.
Strogatz (19:23): Bene, prima di lasciare le meduse e la loro propulsione per - voglio entrare nelle turbine eoliche tra un minuto - ma vorrei solo parlare un po' di più degli anelli di vortice nel regno animale. Perché ho sentito da alcuni dei miei colleghi che studiano il volo degli insetti o il volo dei colibrì o, sai, le libellule, i falchi... Ci sono molte creature che usano i vortici in vari modi. Anche se tutti gli esempi che ho appena citato sono nell'aria, non nell'acqua. Puoi dirci qualcosa sulle differenze o somiglianze tra le creature aeree e... beh, non dirò quelle acquatiche. Sai cosa voglio dire? Se sono in acqua o in aria.
dabiri (20:02): Sì, quindi quelle acquatiche. Sì, e possiamo fare un ulteriore passo avanti fino al sangue. Perché nel cuore umano lo stesso tipo di vortici finisce per formarsi nel ventricolo sinistro, quel sangue ossigenato mentre passa dall'atrio sinistro al ventricolo sinistro. Questo è prima che attraversi il resto del tuo corpo. C'è un punto in cui passa attraverso una valvola e otterrai anelli di vortice che sono sorprendentemente simili a ciò che crea una medusa o ciò che crea un calamaro. Quindi hai assolutamente ragione, questo anello a vortice o motivo ad anello, a volte le strutture a catena più complesse. Ma in ciascuno di questi diversi sistemi animali, vediamo questo ripetersi.
(20:26) Quindi gran parte della nostra ricerca, in effetti, ha cercato di capire se ci sono alcuni principi sottostanti che possiamo imparare sulla struttura di questi anelli di vortice. E si scopre che ci sono. Quindi non tutti gli anelli di vortice sono creati allo stesso modo, nel senso che ci sono alcuni anelli di vortice che sono ottimi per una propulsione efficiente, come l'esempio delle meduse di cui abbiamo appena parlato. Ma ci sono diversi tipi di anelli di vortice che vengono creati nel caso di - solo cercando di generare molta forza. Se voglio solo muovermi molto velocemente, per esempio, le meduse che vogliono sfuggire a un predatore creano un anello di vortice che è diverso dagli efficientissimi anelli di vortice di cui abbiamo parlato poco fa.
(21:15) Quindi quello che pensavamo — e questo è forse un paio di decenni fa — è forse che potremmo usare questa intuizione per capire gli anelli del vortice in un sistema molto diverso, il cuore umano. Quindi, come ho detto, durante il riempimento del ventricolo sinistro, si forma questo anello a vortice. Si scopre che in un paziente sano rispetto a un paziente che ha determinate malattie - una chiamata cardiomiopatia dilatativa, un cuore ingrossato, per esempio - i loro anelli di vortice sembrano molto diversi dagli anelli di vortice che si sono formati in un paziente sano. Abbiamo trovato un'interessante correlazione in cui il cambiamento che vediamo tra un paziente sano e alcuni di questi pazienti con queste patologie è molto simile alla differenza tra una medusa che nuota in modo efficiente e una che sta sfuggendo a un predatore o sta cercando di catturare la sua preda.
(22:05) E quindi uno dei principali vantaggi di osservare queste firme fluidodinamiche di efficienza contro disfunzione è che quei cambiamenti a volte possono verificarsi prima dei cambiamenti strutturali nel cuore o prima di alcuni dei cambiamenti sistemici a livello di corpo che direbbero c'è qualcosa che non va in te. E così abbiamo visto questo come un'opportunità per una diagnosi più sensibile e precoce o un segnale di malattia e disfunzione nel corpo umano. Successivamente, ci sono stati altri laboratori per dimostrare che in realtà questi cambiamenti nel flusso all'interno del cuore possono effettivamente essere un marcatore efficace della malattia negli esseri umani.
Strogatz (22:45): Wow, John, è eccitante.
dabiri (22:47): Sì, una connessione molto precisa e inaspettata. Ma Steve, torna al tuo punto precedente sulla ricorrenza di questo motivo ad anello a vortice nella dinamica dei fluidi - che si tratti di aria, acqua o sangue, che stia nuotando, che si tratti di organismi volanti, o che sia seduto qui a parlare tra di loro con il nostro cuori che pompano sangue.
Strogatz (23:06): Bene, è fantastico. Sono davvero sbalordito da quest'ultimo esempio medico. Perché, intendo, specialmente che potrebbe essere un sistema di allerta precoce e una diagnosi precoce. Ma mi chiedo, qual è la tecnologia di imaging che consente, sai, di non mettere sedimenti nel cuore, vero? Che cosa stiamo facendo? È tutto - si presenta con l'ecografia o la risonanza magnetica? Come guarderesti?
dabiri (23:26): Esattamente. Sì. Quindi il primo lavoro è stato svolto con la risonanza magnetica. Più recentemente, tecniche ad ultrasuoni. Ciò su cui stanno lavorando anche i laboratori attuali è potenzialmente anche il rilevamento acustico, in modo che il flusso sanguigno in alcuni tipi di formazione di vortici abbia un suono rilevabile, effettivamente, da uno stetoscopio elettronico. L'obiettivo qui è trovare la tecnologia più semplice che ti permetta di rilevarlo, perché non tutti avranno a disposizione una macchina per la risonanza magnetica o una macchina per gli ultrasuoni. Ma potresti immaginare un dispositivo di misurazione del suono per la misurazione acustica da $ 10 a $ 20 che potresti acquistare da Walmart ed essere in grado di rilevare questi tipi di cambiamenti e averlo a casa.
(24:10) Questo è l'obiettivo. Non ci siamo ancora arrivati. Ma quello che hanno fatto le meduse ci ha fornito un obiettivo iniziale su cosa cercare, in termini di cambiamenti nel flusso che si sono verificati in quei pazienti sani rispetto a quelli malati.
Strogatz (24:24): Bene, va bene, quindi ora usciamo dall'acqua. E inizia a parlare un po' del lavoro che hai svolto con i tuoi colleghi sulle turbine eoliche in California, in Alaska, per renderle più efficienti. Quindi, prima di tutto, se dico turbina eolica, la prima immagine che mi viene in mente è una di quelle gigantesche eliche bianche che si ergono in alto in qualche campo da qualche parte. È l'immagine giusta o io - dovrei avere un'immagine diversa nella mia testa?
dabiri (24:54): Quindi queste turbine sono un diverso tipo di turbina. Anche se il nostro lavoro è stato in gran parte motivato da alcune delle sfide con quelle grandi turbine. La sfida più grande è che le singole turbine sono molto efficienti in termini di capacità di convertire il moto del vento in elettricità. La sfida è che sottovento a ciascuna di quelle turbine, creano molta aria instabile o turbolenza. Quell'aria mossa ridurrebbe le prestazioni di qualsiasi turbina che fosse sottovento rispetto alla prima.
(25:24) Ed è per questo che se vedete uno di questi parchi eolici là fuori, le turbine sono tutte molto distanti l'una dall'altra. Perché stanno cercando di assicurarsi che l'aria mossa tra le turbine non riduca le prestazioni del gruppo.
(25:36) Mi è sempre sembrato un po' ironico che se guardi in natura, pensi ai pesci in branco nell'oceano, sventolano la coda, creano le proprie scie, come le chiamiamo noi. Quindi quell'aria increspata dietro la turbina eolica la chiamiamo scia. Anche i pesci creano queste scie. Nuotano in gruppo e non si allargano il più possibile. Ma invece coordinano le loro posizioni, l'una con l'altra. Infatti, possono trarre vantaggio dal flusso che si crea. In modo che il tutto è maggiore della somma delle sue parti. Ciò significa che un gruppo di pesci può nuotare insieme in modo più efficiente rispetto a quanto farebbe se fosse separato l'uno dall'altro. Lo vediamo nel ciclismo, il Tour de France. Vedrai i ciclisti sfruttare l'aerodinamica dei loro vicini.
(26:17) E quindi la domanda qui era se potessimo trovare un'analogia con quei banchi di pesci che avrebbero funzionato per posizionare le turbine eoliche. Ora, qui è il posto in cui, quasi per coincidenza, tengo un corso al Caltech sulla fluidodinamica del nuoto e del volo. E nelle mie lezioni sull'addestramento dei pesci, scrivo alla lavagna le equazioni su come prevedere l'interazione benefica tra le turbine eoliche. Una delle caratteristiche chiave di quei modelli sono questi vortici di cui abbiamo parlato finora. Le correnti vorticose che creerebbero i pesci. Il modello matematico per uno di quei vortici è quasi identico a come si rappresenterebbero quelle che vengono chiamate turbine eoliche ad asse verticale.
(27:01) Quindi, mi fermerò lì per un secondo e dirò, le turbine eoliche che sei abituato a vedere le turbine a elica, come abbiamo detto, sono chiamate turbine eoliche ad asse orizzontale. Perché le lame ruotano attorno a un asse orizzontale. Una turbina eolica ad asse verticale, le pale ruotano attorno a un asse che sporge verticalmente dal terreno. Quindi, come una giostra, ad esempio, sarebbe un esempio di un sistema ad asse verticale. Quei sistemi matematicamente possono essere rappresentati in modo quasi identico ai banchi di pesci.
(27:31) E quindi questa era la connessione, dove ho detto, beh, proviamo a pensare a progettare parchi eolici che abbiano quell'orientamento tipo scuola di pesci. Quindi un paio di studenti in laboratorio per uno dei loro progetti hanno fatto un retroscena su come ciò avrebbe migliorato le prestazioni dei parchi eolici in termini di energia che potresti produrre su un dato appezzamento di terreno.
(27:52) Diciamo che ti do, Steve, 10 acri e dico che voglio che tu generi quanta più elettricità possibile usando le turbine eoliche convenzionali. Per quelli a elica, probabilmente potresti montare solo una di quelle turbine su quell'appezzamento di terreno. Per queste turbine eoliche ad asse verticale più piccole, risulta da un calcolo con carta e matita, si potrebbe ottenere 10 volte più energia dallo stesso appezzamento di terreno sfruttando questi effetti.
(28:15) Ora, questo è un calcolo fatto con carta e matita finché non si potrebbe dire, beh, è una grande idea teorica. Ma siamo stati fortunati ad essere qui al Caltech, dove sono andato al dipartimento e ho detto: "Mi piacerebbe comprare un terreno e provare questo". E così è stato intorno al periodo del crollo del mercato '08-'09. E così potresti ottenere un terreno piuttosto economico. Quindi abbiamo comprato un paio di acri di terreno qui nella parte settentrionale della contea di Los Angeles per, credo, solo $ 10,000 o $ 15,000. E abbiamo fatto un accordo con una delle aziende che costruisce queste turbine eoliche ad asse verticale che ci avrebbero dato le turbine gratuitamente in cambio dei dati. Perché è davvero costoso testare, sai, una nuova turbina se sei una startup.
(28:54) E così abbiamo installato una serie di queste turbine in quel campo. Ne abbiamo trovati circa due dozzine, infatti, nel nostro campo. E siamo stati in grado di dimostrare nel mondo reale che in realtà si potrebbe ottenere 10 volte più energia da un appezzamento di terra utilizzando questo tipo di design ispirato ai pesci. Quindi è stata una scoperta davvero entusiasmante e che continuiamo a perseguire ancora oggi.
Strogatz (29:14): Molto, molto, molto eccitante. Non ne avevo mai sentito parlare. Voglio dire, avevo una vaga idea che tu avessi lavorato al posizionamento di turbine eoliche ispirato alla scuola di pesci, ma solo per sentirti raccontare la storia e nell'acquistare il terreno, voglio dire, non lo so. È solo una parentesi personale: quindi, sono un matematico che non compra mai terreni per testare le mie idee. Mi chiedo se quando la gente pensa alle normali critiche alle grandi e alte turbine eoliche dall'aspetto di un'elica. Questo è più attraente, pensi, esteticamente o meno attraente? Immagino che sembrerebbe che non debbano essere così alti o bloccare la vista delle persone.
dabiri (30:00): Esattamente. In effetti, l'abbiamo studiato scientificamente mentre lavoravo alla Stanford University Bruce Caino, uno scienziato sociale. Siamo stati in grado di studiare in California gli atteggiamenti nei confronti di questi diversi tipi di turbine. E hai proprio ragione. È il minor impatto visivo come caratteristica importante.
(30:17) Ma uno che è ancora più significativo è l'impatto potenzialmente inferiore su uccelli e pipistrelli, che è, per le grandi turbine, una sfida continua, il potenziale per gli uccelli di imbattersi nelle pale, o nei pipistrelli e in altre aree. Queste turbine eoliche ad asse verticale, sono più basse, come hai detto, rispetto al suolo, ma hanno anche una firma visiva diversa. Quindi, francamente, nelle grandi casse delle turbine, un uccello non può semplicemente vedere la pala prima che sia troppo tardi. Nel caso di queste turbine eoliche ad asse verticale, la firma visiva è molto più evidente, perché le pale si muovono più lentamente di quanto non facciano per quelle grandi turbine.
(30:54) Ora, il motivo per cui non li vedi ovunque ora, visto quello che ti ho appena detto, è che c'è ancora del lavoro da fare per migliorare la loro affidabilità, che in un certo senso, mi piace dire che è non scienza missilistica, sai, abbiamo persone qui nel campus che mettono rover su Marte. Quindi, chiaramente, dovremmo essere in grado di progettare una turbina eolica che possa durare durante l'inverno dell'Alaska, per esempio. Ma in realtà non ci siamo ancora arrivati, semplicemente non ci sono stati molti investimenti in questi nuovi tipi di tecnologie, perché è molto costoso sviluppare un nuovo hardware energetico. Quindi è un lavoro in corso.
Strogatz (31:25): Hai detto che alcune idee vengono dalla matematica. Ad esempio, c'era la matematica associata a banchi di pesci che potevano poi essere adattati al caso delle turbine eoliche.
dabiri (31:36): Esatto.
Strogatz: Sto cercando di immaginare quella matematica. Puoi dire qualcosa in più? Qual è la matematica che c'entra?
dabiri (31:42): Sì, certo. Quindi quello che cerchiamo di trovare quando pensiamo a un vortice, per esempio, è una semplice descrizione matematica di come un vortice influisce sul flusso circostante. E così abbiamo nel nostro campo, qualcosa chiamato teoria del flusso potenziale. È una rappresentazione semplificata di questi flussi fluidi più complessi che abbiamo descritto. Il vantaggio è che su un pezzo di carta posso scrivere un'equazione che dice, se ho un vortice in una data posizione, ecco cosa farà tutta l'aria o l'acqua attorno a quel vortice. Possiamo scriverlo in una singola riga di matematica.
(32:19) Quindi il vantaggio di questa teoria del flusso potenziale è che se io, diciamo, ho un vortice alla mia sinistra e un vortice alla mia destra, posso immediatamente calcolare come si influenzano a vicenda semplicemente sommando questi due effetti insieme. La chiamiamo sovrapposizione lineare, ma stiamo solo aggiungendo questi due effetti uno sopra l'altro.
(32:38) Ciò significa che quando studio i banchi di pesci è che posso scrivere un'equazione una volta e se voglio conoscere gli effetti di 20 pesci, posso effettivamente moltiplicare la risposta per 20, più o meno, senza dover fare un sacco di calcoli più complicati. Nel caso degli aerogeneratori, per progettare un parco eolico ottimale, una volta che ho la rappresentazione matematica di uno di quegli aerogeneratori, posso ottimizzare un intero parco di 1,000 o se volevo 10,000 aerogeneratori, senza dover sviluppare qualsiasi nuova matematica, davvero. Quindi è un modo davvero conveniente per rappresentare questi sistemi.
(33:13) Si scopre che quella fondamentale rappresentazione matematica di un vortice emesso da un pesce è quasi identica — con una differenza di prefattori — alle rappresentazioni matematiche di quelle turbine eoliche ad asse verticale. E così quella comodità di mappare uno a uno il problema del banco di pesci con il problema della turbina eolica ci ha permesso di prendere in prestito molta della stessa ottimizzazione matematica che è stata fatta per ottenere configurazioni ottimali del banco di pesci e usarla quasi direttamente per ottimizzare il centrali eoliche.
(33:45) L'unica differenza è l'obiettivo. Nel banco di pesci, si potrebbe dire, l'ottimizzazione sta cercando di ridurre al minimo la resistenza che quel gruppo di pesci vedrà mentre si muove nell'acqua, o minimizzare l'energia spesa da tutti quei pesci mentre nuotano. Nel caso del parco eolico, il mio obiettivo potrebbe essere "permettetemi di massimizzare la quantità di energia che sto raccogliendo dal vento" o "lasciatemi provare a progettare questo sistema in modo che per il vento proveniente da particolari direzioni, ottengo vento massimo a seconda della topografia locale che ho al lavoro. Quindi il meccanismo matematico sottostante è lo stesso. Gli obiettivi per i quali ottimizziamo potrebbero essere diversi.
Strogatz (34:25): Devo solo pensare che chiunque ascolti questo sarà colpito quanto me dal tipo di mente che ci vuole per fare il lavoro che stai facendo. L'ampiezza dell'interesse che mostri, sai, muovendoti liberamente tra l'ingegneria dei parchi eolici, gli aspetti medici dei vortici nel cuore, la matematica necessaria per capirlo. Probabilmente non hai ancora menzionato l'informatica, ma immagino che entrerebbe in gioco.
dabiri (34:50): Assolutamente. È molto divertente. Sì.
Strogatz: Buon atteggiamento.
dabiri (34:55): No, lo è. Direi solo che molte volte, penso, studenti - quelli al liceo o all'università - hai l'impressione che nella vita devi scegliere una cosa. Studierò biologia, o studierò chimica, studierò fisica. E questo è il punto. In realtà, alcune delle ricerche più interessanti si trovano proprio all'intersezione di questi diversi campi. E quindi non è per dire che sia stato un percorso facile per sentirsi a proprio agio con quei diversi campi. Qui al Caltech nel mio primo anno da studente laureato, ho seguito un corso di biologia con Francesca Arnaldo, il premio Nobel. Diciamo solo che ho seguito il corso due volte perché la prima volta non ha funzionato. Allo stesso tempo, penso che valga la pena lottare per imparare questi diversi campi perché in questo modo puoi vedere i problemi, penso, da nuove prospettive.
Strogatz (35:45): È molto stimolante. Quindi spostiamo gli ingranaggi su qualcosa con cui sei impegnato in questi giorni, che è consigliare l'amministrazione Biden sulle turbine eoliche. Puoi dire qualcosa sul lavoro che stai facendo con il governo?
dabiri (36:01): Sì, assolutamente. Sai, è stato un onore servire in questa veste. E dirò, in realtà non è stato collegato direttamente a nessun particolare dei nostri obiettivi di ricerca. Il gruppo, nel Consiglio del Presidente, penso che siamo tutti ampiamente interessati alla scienza e al suo sviluppo in questo paese. Un'area particolare che mi appassiona è vedere che la nostra infrastruttura di ricerca - e con questo intendo dalle scuole superiori ai college e università ai programmi di ricerca universitaria che consentivano alle persone di perseguire queste linee di ricerca più non convenzionali come quelle che abbiamo parlato.
(36:39) Quindi, in retrospettiva, apprezzo molto sentire il tipo di reazione positiva che hai a queste idee. Posso dirvi che quando ho scritto per la prima volta delle proposte per cercare di far finanziare questo lavoro, sono state respinte una dopo l'altra, perché suonano un po' strane. Sai, l'idea che qualsiasi cosa sul nuoto delle meduse possa informare la diagnostica cardiaca, o che il branco di pesci ci dica qualcosa sulle turbine eoliche. Sembra un po' troppo estraneo, e non avevo esempi da indicare, per dire che sarebbe stato necessariamente un successo. Quindi i revisori in genere avrebbero la reazione iniziale: "Bene, e se non funziona?" Dove penso sempre: “Bene, e se funzionasse? Quanto sarebbe bello? Cosa potrebbe sbloccare? E sfortunatamente, in questo momento in genere non finanziamo il lavoro sulla base di "e se funzionasse?" Di solito è "e se non lo fa?" E penso che sia uno dei pezzi politici che spero all'interno del Consiglio presidenziale possiamo affrontare.
Strogatz (37:40): Bene, quindi sei in California. Un grosso problema, come tutti sanno in California, è l'incendio. E penso che dovrebbe essere qualcosa a cui una persona interessata alla dinamica dei fluidi avrebbe pensato. Hai qualcosa da segnalare in merito?
dabiri (37:55): Esatto. Nel Consiglio scientifico del presidente Biden, ho avuto il privilegio di co-presiedere un gruppo che riflette su come possiamo usare la scienza e la tecnologia per affrontare meglio gli incendi. Sappiamo che negli ultimi anni sono diventati più frequenti e in alcuni casi più gravi, in particolare qui in California. Eppure ci sono tecnologie che attualmente non stiamo utilizzando, ad esempio la comunicazione per i vigili del fuoco, l'IA [intelligenza artificiale] per aiutare a prevedere la progressione degli incendi e persino tecnologie come la robotica e i droni per aiutare a interferire con il percorso dell'incendio prima che possono arrivare i primi soccorritori. Il nostro lavoro ha identificato una serie di tecnologie nuove ed emergenti che riteniamo possano aiutare ad arginare gli impatti negativi di questi incendi boschivi. E quindi non vediamo l'ora di agire sia a livello federale che statale e locale su tali raccomandazioni.
Strogatz (38:48): E quindi la fluidodinamica gioca in qualche modo in tutto questo?
dabiri (38:52): Sì, la fluidodinamica è infatti uno dei driver più importanti della progressione di un incendio. Pensa ai venti che trasportano braci ardenti e potrebbero determinare se finiscono o meno per attraversare un tagliafuoco. I venti possono determinare la velocità con cui si muove un incendio. Quindi, quando abbiamo avuto incendi davvero catastrofici, in alcuni casi è stato perché i venti erano in alcuni casi a 70 o 80 miglia all'ora. Una delle sfide chiave quindi per combattere questi incendi è essere in grado di utilizzare modelli di dinamica dei fluidi per prevedere la futura progressione dell'incendio. Richiede nuovi tipi di dati sul vento vicino al suolo per completare i dati in quota.
(39:31) Ma anche quello che possiamo fare nella simulazione di luoghi diversi è aiutare le comunità vulnerabili a prepararsi in anticipo per gli incendi - per sapere che in base alla loro topografia e vegetazione, e con questi modelli di dinamica dei fluidi, essere in grado di dire loro quali parti della comunità è probabile che veda per prima la parte anteriore di quell'incendio. Questo può informare i piani di evacuazione, per esempio.
Strogatz (39:54): Beh, suppongo che nessuna discussione sulla dinamica dei fluidi sarebbe completa senza menzionare la turbolenza. Viene spesso definito il più grande problema irrisolto della fisica classica. Sai, quello che vorrei è solo un piccolo tutorial - tipo, qual è il problema della turbolenza? Cos'è che la gente vorrebbe capire?
dabiri (40:12): Sì. Il modo semplice in cui a volte lo descrivo è che nella fluidodinamica abbiamo una serie di equazioni che spiegano il moto dei fluidi in un modo che è abbastanza buono per progettare un aeroplano, ma non abbastanza buono per dirti quando quell'aereo sta per entrare in turbolenza . Quindi le nostre equazioni di fluidodinamica non sono state in grado di prevedere alcuni degli eventi molto comuni che vediamo in un flusso fluido. Se pensi al tuo rubinetto di casa e lo apri solo un po', ha quell'aspetto davvero vitreo. Alzi un po' di più il rubinetto e poi, spontaneamente, diventa molto più ruvido. Ottieni una transizione verso un flusso turbolento. Lo osserviamo in tutti i tipi di esperimenti di laboratorio e non abbiamo ancora una chiara spiegazione teorica per quando si verifica quel tipo di transizione alla turbolenza.
Strogatz (41:01): Così interessante. Per coincidenza, ieri sera - forse non è una coincidenza, forse in un certo senso inconsciamente stavo pensando alla nostra discussione imminente. Ma mi è capitato di pensarci Richard FeynmanLa lezione di nelle sue famose lezioni di fisica - proprio lì al Caltech, probabilmente non troppo lontano da dove sei seduto - dove parla del flusso dell'acqua e del mistero duraturo della turbolenza. E menziona anche che su un ventilatore, se guardi una lama di un ventilatore, come nella tua soffitta o qualcosa del genere, troverai sempre un sottile strato di polvere - minuscole particelle di polvere. Il che sembra misterioso, sottolinea Feynman, perché la pala del ventilatore si muove a una velocità incredibile nell'aria. Eppure non sta soffiando via quelle piccole particelle di polvere. E quindi sento che questo è il punto in cui dobbiamo finire: che tu, volevo dire, sei una specie di Leonardo da Vinci dei giorni nostri. Ma ora ho iniziato a pensare che forse sei anche un moderno Richard Feynman.
dabiri (41:03): Che forse se un giorno sarò in grado di risolvere effettivamente quel problema di turbolenza, potremo prendere in considerazione quel tipo di idea. Ma per ora sì, sono solo un ragazzino di Toledo che adora le meduse.
Strogatz (42:06): Perfetto. Grazie mille, John Dabiri, per esserti unito a noi oggi.
dabiri (42:10): Grazie per avermi ospitato.
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Strogatz (42: 40): La gioia del perché è un podcast di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente supportata dalla Simons Foundation. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla selezione di argomenti, ospiti o altre decisioni editoriali in questo podcast o in Quanta Magazine. La gioia del perchéè prodotto da Susan Valot e Polly Stryker. I nostri redattori sono John Rennie e Thomas Lin con il supporto di Matt Carlstrom, Annie Melchor e Zach Savitsky. Il nostro tema musicale è stato composto da Richie Johnson. Julian Lin ha inventato il nome del podcast. La grafica dell'episodio è di Peter Greenwood e il nostro logo è di Jaki King. Un ringraziamento speciale a Burt Odom-Reed dei Cornell Broadcast Studios. Sono il tuo ospite, Steve Strogatz. In caso di domande o commenti da farci, inviare un'e-mail a Grazie per l'ascolto.
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