Le sfere di turbolenza sono isolate utilizzando anelli di vortice - Physics World

I ricercatori negli Stati Uniti hanno isolato una sfera di turbolenza all'interno di un serbatoio d'acqua e l'hanno sostenuta sparando anelli di vortice dagli angoli del serbatoio. Guglielmo Irvine e colleghi dell'Università di Chicago affermano che la loro nuova tecnica potrebbe portare a una trasformazione nel modo in cui la turbolenza viene studiata sperimentalmente.

Dai vortici in un flusso al vortice di gas nello spazio interstellare, la turbolenza è alla base del comportamento di molti sistemi diversi in natura. Le sue caratteristiche principali sono facili da individuare e includono fluttuazioni irregolari e irregolari di velocità e pressione. Eppure, nonostante la loro ubiquità, i ricercatori fanno fatica a descrivere esattamente come si comportano i fluidi turbolenti.

"La turbolenza appare ovunque intorno a noi, ma continua a eludere quella che i fisici considerano una descrizione soddisfacente." Irvine spiega. “Ad esempio, se chiedi, posso prevedere cosa succede dopo quando colpisco questa regione di turbolenza? La risposta è no. Nemmeno con un supercomputer.

Disturbi controllati

Mentre la turbolenza può essere creata e studiata in laboratorio, è molto difficile evitare che un fluido turbolento interagisca con le pareti del suo contenitore o con l'apparato di agitazione utilizzato per generare la turbolenza. Finora, questa battuta d'arresto ha impedito ai fisici di capire come i fluidi turbolenti si evolvono nel tempo se lasciati indisturbati, o come rispondono a disturbi controllati.

Per affrontare questa sfida, il team di Irvine ha cercato di creare una regione di turbolenza completamente isolata utilizzando anelli di vortice. Si tratta di vortici circolari di fluido che generano turbolenza quando si scontrano tra loro.

All'inizio, Irvine e colleghi lo hanno fatto posizionando getti ad anello che generano vortici alle due estremità di un serbatoio d'acqua. L'acqua è stata seminata con bolle per visualizzare i movimenti degli anelli. Sebbene inizialmente sia stata osservata la turbolenza, i flussi alla fine si sono ricombinati per creare nuovi gruppi di anelli, che si sono allontanati dal punto di collisione originale.

Otto anelli di vortice

Nel loro ultimo studio, il team di Irvine ha invece posizionato un getto ad anello in ogni angolo del serbatoio, con risultati molto più interessanti. Quando gli otto anelli di vortice si sono scontrati, hanno creato una sfera di turbolenza approssimativamente sferica al centro del serbatoio. Non solo la palla era completamente isolata dalle pareti del serbatoio; potrebbe essere sostenuto semplicemente sparando periodicamente più anelli di vortice nel serbatoio.

"Nessuno sapeva che fosse possibile", afferma un membro del team Takumi Matsuzawa. “La turbolenza è molto efficace nel mescolare le cose; se mescoli il latte nel caffè, puoi ottenere solo uno o due vortici prima che si mescoli completamente. Il fatto che possiamo contenerlo sul posto è molto sorprendente.

È come sedersi tranquillamente in un campo con un picnic e guardare una tempesta che infuria a 50 piedi di distanza

Guglielmo Irvine

Con questa configurazione, il team ha potuto combinare gli anelli dei vortici come i blocchi LEGO, controllando i parametri tra cui l'energia e l'elicità degli anelli, quest'ultima descrivendo se i vortici ruotavano in senso orario o antiorario.

Dopo tutto, il flusso turbolento è universale?

A loro volta, hanno potuto mettere a punto i parametri della turbolenza all'interno della palla, quindi osservare come si è evoluta mentre la sostenevano con più anelli di vortice o come si dissipava quando smettevano di aggiungere nuovi anelli. "È come sedersi tranquillamente in un campo con un picnic e guardare una tempesta che infuria a 50 piedi di distanza", descrive Irvine.

I ricercatori ora sperano che il loro lavoro possa portare a una svolta nello sviluppo di nuove tecniche per lo studio della turbolenza. Scolpendo flussi turbolenti utilizzando anelli di vortice, suggeriscono che la turbolenza potrebbe essere trattata come uno stato della materia con caratteristiche che possono essere attentamente controllate e manipolate.

A sua volta, questo potrebbe aprire la strada a una vasta gamma di nuovi esperimenti, esplorando molti esempi diversi di flussi turbolenti in natura. "Spero davvero che questo possa aiutare ad aprire un nuovo parco giochi sul campo", afferma Irvine.

La ricerca è descritta in Fisica della natura.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/