Se versi acqua da una bottiglia, il flusso liquido adotterà spesso una struttura a catena. La fisica alla base di questo curioso fenomeno è stata oggetto di accesi dibattiti per più di un secolo, ma ora questo mistero potrebbe essere stato risolto da esperimenti condotti da Antonio Deblais, Daniel Bonn e Daniel Jordan all'Università di Amsterdam e Neil Ribe all'Università di Paris-Saclay.
Quando un getto di liquido cade da un ugello non circolare, può formare un'onda di sezioni di liquido larghe, appiattite e uniformemente distanziate che sono alternativamente orientate a 90° l'una rispetto all'altra. Queste sezioni sono separate da maglie più sottili di liquido, facendo assomigliare la struttura a una catena (vedi figura).
Al centro dell'effetto c'è il profilo non cilindrico del getto mentre emerge. Per ridurre al minimo la tensione superficiale, il getto cerca di diventare un cilindro, ma questo movimento va oltre e si traduce in un'oscillazione nella forma del profilo.
Tuttavia, esiste un disaccordo di lunga data tra due teorie che descrivono come si verificano queste oscillazioni. Una teoria fu avanzata da Lord Rayleigh nel 1879, e fu poi modificata da Niels Bohr nel 1909. La teoria di Rayleigh descrive l'oscillazione come un effetto lineare, mentre la teoria di Bohr introduce effetti non lineari che diminuiscono la frequenza delle oscillazioni all'aumentare della loro ampiezza.
Bohr vince
Fino ad ora, nessun esperimento ha determinato quale di queste teorie offre una descrizione più accurata. Per risolvere questo problema, il team di Deblais ha progettato una serie di 12 ugelli ellittici con dimensioni ed eccentricità variabili. Quindi hanno misurato sia le frequenze che le ampiezze delle strutture a catena che si sono formate mentre versavano acqua attraverso gli ugelli a portate variabili. Sebbene i modelli osservati fossero leggermente in disaccordo con le previsioni di Rayleigh, si allineavano maggiormente con la teoria di Bohr.
Modelli nascosti trovati sulla superficie dell'acqua
Sulla base dei loro risultati, Deblais e colleghi hanno costruito simulazioni numeriche delle oscillazioni della catena liquida, trovando ancora una volta un forte accordo con le previsioni di Bohr. I loro risultati aiutano anche a spiegare perché la superficie di ciascun getto si è increspata durante i loro esperimenti, un'altra caratteristica interessante dei getti d'acqua di tutti i giorni. Il team ora spera di estendere gli esperimenti e le simulazioni per considerare liquidi diversi dall'acqua, così come ugelli con forme più complesse.
Ora che è stata stabilita una teoria di base, futuri esperimenti potrebbero offrire spunti utili in una vasta gamma di applicazioni in cui i liquidi vengono sparati da ugelli ellittici, tra cui la stampa a getto d'inchiostro e la metallurgia. Ulteriori ricerche potrebbero anche portare a nuove tecniche per migliorare l'efficienza della combustione, sopprimere il rumore o migliorare il controllo sui propulsori. Altrove, i risultati potrebbero aiutare i ricercatori a comprendere meglio l'insorgenza e il possibile trattamento di alcuni problemi medici, comprese le malattie urologiche.
La ricerca è descritta in Fluidi di revisione fisica.
