UNIGE-ME FLUID PHOTO/VIDEO COMPETITION 2014/15

Gocce e vibrazioni

Daniele Ramirez

Il fenomeno che si è osservato è strettamente legato alla reazione di una goccia che impatta, con velocità quasi nulla, su una superficie in quiete. Possiamo individuare tre fasi: impatto, rimbalzo e coalescenza. Dopo l'impatto la goccia rimane qualche frazione di secondo in uno stato nel quale rimbalza sulla superficie in quiete, tuttavia questo fenomeno va attenuandosi, infine la tensione superficiale non è più in grado di mantenerla separata dal resto del fluido e si ha la coalescenza. Per creare le gocce più facilmente si è usata una soluzione di acqua e sapone, poiché quest'ultimo, essendo un tensioattivo, riduce la tensione superficiale. Da quanto si evince una goccia può essere mantenuta indefinitivamente separata dal fluido sottostante, se permane in costante stato di rimbalzo. Ciò è ottenibile ponendo in vibrazione (nel fenomeno osservato prodotta dall'altoparlante) un sottile strato d'acqua. Le gocce mantengono una forma sferica, poiché la tensione superficiale tende a minimizzarne la superficie. Una volta entrate in contatto tra loro tendono a rimanere unite a causa della stessa, tuttavia se non fosse presente la vibrazione che, oltre a separarle dal fluido sottostante, le tiene divise tra loro, esse si fonderebbero le une con le altre per l'effetto della tensione superficiale. Maggiore è il numero delle gocce e maggiore è la potenza della vibrazione richiesta per mantenerle divise in un gruppo stabile. Come si vede nel filmato, se ad un gruppo già stabile aggiungiamo altri elementi essi non riescono ad entrarvi e si fondono con quelli esistenti o collassano; infatti troviamo gocce di diametri differenti in uno stesso gruppo. Questo è proprio quello che accade quando facciamo cessare le vibrazioni: le gocce si fondono tra loro diventando sempre più grandi per poi collassare. Il fenomeno della fusione sembra prevalere, forse perché le gocce continuano a rimbalzare per inerzia anche dopo lo spegnimento dell'altoparlante.

Effetto della pressione idrostatica su un uovo

Stefano Piccini

Si rompe il guscio di un uovo di gallina a 10 metri di profondità e 2 atm di pressione assoluta senza intaccare la membrana vitellina, che permette di considerare il tuorlo come un solido in grado di deformarsi sotto l’azione di forze di compressione poco importanti e non un fluido non newtoniano, per i quali lo sforzo tangenziale non è proporzionale alla velocità di deformazione angolare. Il tuorlo fuoriesce con forma di sfera perfetta e l’albume rimane intorno a coprirlo creando lo stesso effetto visivo di un uovo sodo di forma sferica. Questo interessante sviluppo si deduce dalla definizione di pressione che è il modulo della forza esercitata da un fluido sull’unità di superficie, ortogonalmente ad essa. Se consideriamo un fluido in quiete in un qualsiasi punto lo sforzo normale ha lo stesso modulo (pressione) in tutte le direzioni, non vi sono sforzi tangenziali poiché non vi è moto relativo tra le particelle fluide, la pressione è uno scalare e non un vettore. Lo sforzo in qualunque punto e per qualunque giacitura è sempre di compressione e normale alla superficie, pertanto le componenti normali del tensore degli sforzi risultano uguali per l’equilibrio alla traslazione. Le componenti ad indici misti del tensore invece sono simmetriche per l’equilibrio alla rotazione. Come ogni tensore può essere scomposto in due componenti, una sferica e una deviatorica; soffermandoci su quest’ultima si nota che la forza per unità di area che comprime uniformemente il tuorlo è proprio la pressione idrostatica locale. Durante l’esperimento è stato necessario riposizionare l’uovo per migliorare l’inquadratura; il metodo utilizzato è altresì un interessante evento fluidodinamico: sono stati creati piccoli vortici attorno all’uovo mettendo in rotazione il fluido circostante con velocità angolare ω. Si dimostra come la pressione varia in relazione al raggio del vortice infatti esso è un moto potenziale che presenta una singolarità nel centro ove si crea una depressione che permette di “attrarre” l’uovo senza rischiare di provocare rottura. Per testare ancora un volta la forza, per unità di area, di compressione esercitata dalla pressione, la membrana vitellina è stata incisa e il tuorlo è rimasto all’interno senza venire a contatto immediatamente con l’acqua. Sarà necessario separare manualmente le due parti per far venire a contatto i due fluidi.

Effetto Leidenfrost

Pier Andrea Tornatore

Fenomeno che si osserva nei liquidi. Quando un liquido entra in contatto con una superficie a temperatura molto più elevata della temperatura di ebollizione del fuido stesso, si crea un "cuscinetto" di vaore, il quale, avendo una conducibilità termica molto inferiore rispettto al liquido, isola termicamente il corpo impedndo al fluido di bollire istantaneamente. Nel filmato si osserva il vapore avvolgerein forma sferica una biglia di acciao riscaldata precedentemente con una fiamma ossidrica.

Nel secondo filmato si può osservare una goccia d'acqua su una piastra a temperatura molto alta. L'effetto Leidenfrost diminuisce drasticamente l'attrito tra flido e corpo, facendo scivolare facilmente 'acqua. Si nota anche la tensione superficiale intrappolare una bolla di vapore al centro.

Deflusso d'acqua da una bottiglia

Filippo Ferrando

Affinchè l'acqua esca dalla bottiglia, deve entrare aria. Nel caso di deflusso normale l'aria entra normalmente e ci vogliono 17 secondi. Invece creando un vortice si crea nell'occhio del vortice un aumento della velocità notevole. Nel caso ideale la velocità cresce come 1/r avvicinandosi al centro, quindi per raggi molto piccoli si ha una velocità molto grande. Per l'equazione di Bernoulli l'aumento della velocità determina una drastica diminuzione della pressione. La depressione fa entrare l'aria più velocemente e quindi l'aria esce in solo 9 secondi.

Esperimenti su bolle di sapone

Alessandro Righini

La presenza di sostanze detergenti all'interno di una bolla abbassa di circa 1/3 la tensione superficiale dell'acqua; inoltre la pressione interna della bolla, che è direttamente proporzionale alla tension uperficiale e inversamente proporzionale al raggio, è superiore a quella esterna. La penetrazione dell'oggetto bagnato non è una vera perforazione ma un incontro tra le due membrane liquide. Non si ha dquenterruzione della continuità di membrana. Un oggetto asciutto invece determina una discontinuità della pellicola d'acqua, un margine libero. Infatti la tensione superficiale della bolla attrae le molecole allontanandole dal punto di discontinuità e restringendo distruttivamente la membrana stessa; le molecole si raccolgono a formare delle goccelquide che provocano un'implosione.

Ebru Art: pittura sull'acqua

Elena Rizzetto

"La buona arte è quella che ti lascia entrare da tante angolazioni diverse e uscire con tante prospettive diverse." (Mary Schmich)

Una tecnica pittorica che affascina da molti anni è quella dell'Ebru Art o Water Painting, ma cosa c'è dietro? E' un semplice, ma efficace, esempio del comportamento reciproco di fluidi di diversa densità: i colori acrilici, diluiti con acqua, hanno una densità inferiore rispetto a quella del composto acqua più colla contenuto nella vaschetta: la presenza della colla aumenta, infatti, la densità dell'acqua di circa l'1%; questa differenza nella densità fa sì che il colore, più leggero, galleggi, permettendo di disegnare sullo specchio d'acqua. La fase successiva della "stampa" si basa sul fenomeno della capillarità: il foglio di carta è un elemento poroso e appoggiandolo sulla superficie dell'acqua si comporta come tanti vasi capillari, permettendo la risalita dell'acqua colorata nel foglio e la "stampa" del disegno.

Fluidi non-newtoniani

Francesco Lerotti

Il fluido è stato realizzato con acqua e amido di mais, rispettivamente circa 1 litro e 1,3 kg. In un fluido non-newtoniano la viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio: nell'esperimento una pallina che scorre su uno scivolo non affonderà come in un comune liquido, bensì ci rotolerà semplicemente sopra, come se fosse un solido.

Fluidi non-newtoniani

Luca Ferretti

Il fluido non newtoniano oggetto del video è stato creato utilizzando 3 parti di amido e 2 parti di acqua. Il risultato è un fluido con una caratterca molto interessante: ad alte velocità di applicazione del carico corrispondono bassi valori di deformazione (comportamento da "solido"); a basse velocità di applicazione dello sforzo corrisponde invece un comportamento da liquido molto viscoso.

Esperimenti con un ferrofluido

Giacomo Gennari

L'oggetto del video è il ferrofluido, un fluido non newtoniano che reagisce al campo magnetico prodotto da una calamita al neodimio, posta alla base dlla vite, grazie alla presenza di piccoli frammenti di materiale ferromagnetico. Una caratteristica interessante del ferrofluido (come si nota nell'ultima dimostrazione) è una forte riduzione dell'attrito. Infatti se applicato sull superficie di un magnete sufficientemente potente, questo fluido può planare su superfici lisce con una bassissima resistenza. Si nota infatti che ilmagnete si stabilizza in una posizione che indica il nord.

Bolla di sapone non sferica

Matteo Bertocchi

La bolla di sapone nella foto non presenta la forma sferica che le garantirebbe una minore superficie esterna. Con questa forma il numero di molecole sul bordo, che subiscono una forza verso l'interno, è maggiore rispetto ad una sfera di pari volume. La bolla riesce a mantenere questa configurazione grazie all'azione di tensioattivo del sapone, che diminuisce la tensione superficiale evitando che essa scoppi. La foto è stata scattata nella fase iniziale della "vita" della bolla. La sua forma è dovuta allo strumento utilizzato per formarla, costituito da un filo imbevuto di una soluzione di acqua e sapone che viene utilizzato per creare una sezione circolare che viene gradualmente ristretta fino a chiudersi. Si osserva infatti che da destra a sinistra il volume della bolla diminuisce, in quanto la parte a destra è stata formata quando l'aria attraversava la pellicola di sezione maggiore mentre quella a sinistra quando la sezione era già diminuita.

Fluido in caduta libera

Marco Gandolfo

Questa foto mostra, in maniera parziale, il comportamento di un fluido in caduta libera. In essa sono presenti, in modo particolare, due fenomeni di grande rilevanza, che sono stati oggetto di diverse ricerche le quali hanno portato a numerose teorie idrodinamiche: il restringimento del flusso liquido e la formazione di gocce. Si può notare, infatti, una transizione da un flusso continuo ad una successione di gocce, localizzate nel tratto inferiore della cadut. Il fenomeno relativo l restringimento del flusso può essere spiegato facendo riferimento all'attrazione gravitazionale che incide nella sezione trasversle di un flusso liquido, ciò osservabile anche nei rubinetti domestici. Come mostrato nella foto, all'uscita dal bicchiere, si producono nel vino lievissme perturbazioni ondulatorie che risultano difficili da osservare. Grazie all'aumento della loro ampiezza durante la caduta, viene ad essere provocata la separazione in gocce. Tale processo è favorit dalla tensione superficiale che tende a ridurrre l'area della superficie liquida, a ciò si contrappone l'inzia che ritarda gli spostamenti delle grandi masse i liquido. Solo nel momento in cui si instaura una situazione di equilibrio tra i due effetti opposti si assisterà alla separazione del vino in piccole gocce. Inotre, per effetto della gravità la sezione dei flussi liquidi in caduta diminuisce con la distan del punto di efflusso. Nella parte bassa del flusso la sezione torna ad aumentare e si osserva la formazione delle gocce.

Esperimenti con un fluido dilatante

Francesco Rebaudi

I fluidi non Newtoniani hanno la caratteristica di avere una viscosità che è funzione degli sforzi di taglio applicati. L'esperimento riguarda un fluido dilatante (cioè con viscosità apparente che aumenta con lo sforzo di taglio applicato) creato da acqua ed amido di mais. Le ragioni di questo comportamento sono da attribuire ai comportamenti dei legami chimici delle particelle del fluido che possono assumere strutture diverse quando messe in movimento. In particolare le particelle, se messe in movimento reciproco da un azione di taglio, perdono la condizione di equilibrio tra loro e formano degli "Hydrocluster" (piccoli bastoncelli semi-solidi che fanno aumentare la viscosità). Ciò non si verifica per basse velocità di taglio; in questo caso le forze interparticellari (Van Der Waals) mantengono il sistema ordinato: si definisce dunque una velocità critica di taglio. Per queste ragioni la viscosità non è costante e, conseguentemente, lo sforzo di taglio in funzione delle velocità di taglio risulta avere un comportamento non lineare. Dal punto di vista pratico questo fluido dilatante si comporta come semi-liquido per basse velocità di taglio (quindi basse sollecitazioni) mentre si comporta da semi-solido nel caso opposto. Al cessare della sollecitazione il tutto ritorna allo stato di liquido iniziale. Il video mostra questo comportamento cercando di evidenziarne le differenze a seconda delle diverse sollecitazioni. Nel caso del proiettile è interessante come questo, sparato a circa 100 m/s, si fermi subito sulla superficie del fluido il quale, dunque, risulta avere anche una grande velocità nell'assumere il comportamento "semisolido". Questo comportamento lo rende un campo di ricerca per applicazioni militari (giubbotti antiproiettile). Nel caso della sollecitazioni attraverso vibrazioni a 30 hertz emesse da un subwoofer, il fluido risulta rimanere in uno stato semisolido e creare interessanti forme per poi tornare liquido istantaneamente al cessare della "musica".

Convezione di Marangoni

Ario Battolla

Nel video ho mostrato l'effetto che ha un comune detersivo da cucina sulla superficie del latte, un fenomeno che viene chiamato "effetto Marangoni". Il sapone, essendo un tensioattivo, a contatto con un liquido, ne abbassa la tensione superficiale. Si genera così un gradiente di tensione superficiale tra una zona e l'altra del latte e si instaura una corrente dalla zona di bassa tensione verso quella di alta tensione superficiale; i coloranti hanno il compito di monitorare il movimento del latte, altrimenti invisibile ad occhio nudo. Al minuto 2:44 si può comprendere molto bene l' "effetto Marangoni": ho circondato una porzione di latte disegnando una linea curva semichiusa con il detersivo. La zona di superficie libera racchiusa dapprima si contrae dopodichè si sposta verso l' unica zona non toccata dal tensioattivo, si ha così uno spostamento dovuto ad un gradiente di tensione superficiale. Nell' ultima clip ho voluto mostrare un altro effetto dovuto alla tensione superficiale: alcune gocce di latte possono correre sulla superficie come se fosse una pellicola elastica.

Bolle d'olio

Giuliano Marino

Nel video, dell'esperimento allegato, ho utilizzato una soluzione di acetone e acqua per formare una miscela con una densità simile a quella dell'olio. Le quantità sono state studiate anche per evitare che l'olio si dissolvesse nell'acetone, dato che è un ottimo solvente. Nel corso dell'esperimento si nota che le forze agenti sulla bolla non sono equamente distribuite su tutta la superficie, infatti, superata una certa grandezza, la bolla inizialmente di forma sferica diventa di sezione ellittica, non si blocca l'espansione verticale totalmente, ma semplicemente si espande maggiormente lungo l'asse orizzontale. Nella seconda parte del video infatti si vede olio, dopo essere stato aggiunto a cascata, stabilizzarsi in una seconda regione più bassa e avendo dei volumi più piccoli si manifesta nuovamente la forma sferica. Le nuove bolle si stabilizzano in una zona più bassa semplicemente perché al loro interno non c'é aria, al contrario della prima in cui è stata messa in maniera forzata tramite un ago. Si noti anche la particolarità che le bolle occupano molto spazio e non tendono a unirsi per compattarsi, ma anche quando vengono a contatto rimangono scisse.

Champagne!

Elia Ottonello

In questo video possiamo vedere due principali fenomeni fluidi: il primo dei quali è la tensione superficiale, apprezzabile tra la vena fluida in uscita dalla bottiglia a basse velocità e il collo della stessa e, in modo maggiore, tra la schiuma e il bordo del bicchiere; in questo caso si può notare con maggiore facilità grazie alla cavitazione, il secondo, e più interessante, fenomeno che vedremo grazie a questo video. La cavitazione é un fenomeno fluido dovuto alla formazione di bolle gassose all'interno di un fluido che, crescendo, raggiungono un volume tale che la forza di Archimede vince la spinta del liquido sovrastante, raggiunta l'interfaccia si trovano a pressione atmosferica, implodendo e destabilizzando l'equilibrio delle bolle a loro vicine; la cavitazione di solito è causata da un abbassamento locale della pressione e si genera in uno o più punti di nucleazione. Nel caso dello spumante questo processo è dovuto alla CO2 formatasi durante la fermentazione ed è favorito dal brusco abbassamento di pressione nel momento in cui si stappa la bottiglia, dall'eccessivo angolo d'incidenza e dalla velocità con cui viene versato il fluido che favorisce una forte turbolenza. I centri di nucleazione più comuni sono: la parete del cristallo, non essendo perfettamente liscia, e i minuscoli elementi solidi all'interno del liquido.

Reazione vincolare dell'acqua

Riccardo D'Urzo

Il mio obiettivo è di mostrare cosa succede quando si vede da fuori rimbalzare un pallone (in questo caso da pallanuoto) in acqua. Premettendo che la palla, di densità minore rispetto all'acqua, galleggia, nel momento in cui viene lanciata con forza e con la giusta angolazione sull'acqua rimbalza come se venisse lanciata sul suolo (similmente al lancio del sasso). Nel video possiamo costatare come l'acqua soggetta ad una forza (la forza con cui il pallone viene lanciato), esercita una reazione vincolare pari di modulo e direzione ma di verso contrario sulla palla. In particolare si può vedere come la palla scava una "conca" nell'acqua e in seguito da questa conca l'acqua genera una spinta idrodinamica nel verso opposto, verso l'alto, con cui spinge via il pallone permettendo di rimbalzare sull'acqua come avviene sul suolo. E' doveroso aggiungere che questo avviene a patto che la forza esercitata nel lancio della palla sia sufficientemente intensa, perchè nel caso in cui la palla venga tirata debolmente, non esercita una forza di modulo sufficientemente alto sull'acqua e di conseguenza non permette di avere una reazione vincolare tale da vincere la forza di gravità, cioè il peso della palla. Altro appunto importante è l'inclinazione con cui il tiro viene fatto: partendo dal presupposto che la palla parta dall'alto (un buon giocatore di pallanuoto tira ad un metro e cinquanta d'altezza) più grande è l'angolo tra l'inclinazione della palla e il pelo dell'acqua più avrò un unico grande rimbalzo F*sin(alpha) = Forza premente, con alpha compreso tra 0 e pi greco mezzi. Se alpha è piccolo e l'intensità del tiro è la stessa, dato che F* sin(alpha) è più piccolo si avrà una minore reazione vincolare e un minore rimbalzo, però la forza non avrà incontrato una sufficiente reazione vincolare di senso opposto a fermarla, perciò il tiro effettuerà più rimbalzi fino a che le varie reazioni vincolari di piccola intensità, sommate tra loro, eguaglieranno in modulo la forza del lancio.

Flusso d'aria da uno strumento a fiato

Davide Tonelli

Il video che ho presentato vuole guardare con "occhio fluidodinamico" un elemento tipico di tutti gli strumenti a fiato, sicuramente non percepito dagli stessi musicisti che ne sono la causa. Il video è realizzato con una tromba moderna in Sib, ma potrebbe essere benissimo sostituita da un flauto, un oboe, un fagotto, un clarinetto, etc. In questo caso particolare, l'aria emessa ha già percorso una lunghezza di 1.3 m il ché determina un rallentamento del fluido rispetto alla velocità di immissione a seguito delle perdite di carico (anche se ridotte) e della conicità del tubo. Si può supporre che il moto all'interno del canneggio dello strumento possa essere laminare, perlomeno fino a qualche centimetro prima della campana. Successivamente, il netto incremento del diametro dovuto ad un andamento esponenziale del profilo della campana, porta (oltre al rallentamento del fluido) ad una facilità di contatto con l'aria esterna, il ché fa sì che si arrivi rapidamente ad un moto turbolento. Infatti, possiamo riconoscere subito la nascita di vortici su diverse scale, assieme a formazioni che si uniscono, dividono, allungano, ruotano e in cui gli stessi vortici decadono a seguito della loro forte instabilità. Complessivamente si evidenzia la produzione della cosiddetta "cascata di energia" che è, in questo caso, alla base del miscelamento tra l'aria calda in moto e l'aria a temperatura ambiente in condizioni di ristagno.

Le gocce di Piazza De Ferrari

Cecilia Gattino

La divisione in schizzi o gocce osservabile in una fontana è un fenomeno fluido studiato da moltissimi anni. La causa primaria della formazione di gocce, è la riduzione delle dimensioni trasversali del flusso dovuta all'azione d ella tensione superficiale che tende a ridurre l'estensione della superficie liquida. In aggiunta a ciò dobbiamo considerare anche le perturbazioni di lunghezza d'onda che influiscono sulle dimensioni della goccia. La formazione delle gocce dipende dal numero di Weber, che esprime il rapporto tra l'inerzia e la tensione superficiale, ed è descritta matematicamente da una teoria basata sulle equazioni di Navier-Stokes. Le fasi che riconosciamo nella formazione di gocce sono:

1. Restringimento del flusso liquido in caduta: la sezione trasversale del flusso liquido proveniente dalla vasca della fontana si restringe a causa dell'attrazione gravitazionale.

2. La formazione di gocce: all'uscita dalla vasca si producono nell'acqua lievissime perturbazioni ondulatorie, difficili da osservare. L'aumento della loro ampiezza durante la caduta provoca la separazione in gocce. Il processo è favorito dalla tensione superficiale che tende a ridurre l'area della superficie liquida, tendendo a raccogliere tutto il liquido in un unico volume sferico. A ciò si contrappone l'inerzia, che ritarda i necessari spostamenti di grandi masse di liquido. La separazione in piccole gocce avviene quando si instaura una situazione di equilibrio tra i due opposti effetti.

3. Dimensioni: Per effetto della gravità la sezione dei flussi liquidi in caduta diminuisce con la distanza dal punto di efflusso. Nella parte bassa del flusso la sezione torna ad aumentare e si osserva la formazione di gocce. L'aumento delle dimensioni delle gocce è dovuto all'effetto della tensione superficiale.

Eccitazione acustica di un getto d'acqua

Nicolò Grimaldi

Il flusso d'acqua che scorre nel tubo viene sollecitato attraverso un subwoofer a frequenze decrescenti equiparati ai frame per secondo della videocamera con cui è ripreso così da congelare l'immagine. Quando il volume è basso il getto rimane verticale, nel momento in cui si aumenta il volume il tubo (in polietilene) si muove nella direzione delle onde sonore generando le oscillazioni, amplificate in funzione delle pressione delle onde sonore. Per l'effetto opposto è bastato invertire polo positivo e polo negativo del subwoofer. Questi effetti sono facilmente visibili a occhio nudo con l'ausilio di una luce stroboscopica.

La superidrofobicità

Jacopo Verdoya

Foto di una goccia d'acqua (del diametro di circa un millimetro) sulla superficie di un costume ad elevate prestazioni, utilizzato nelle gare agonistiche di nuoto. L'efficacia nel garantire minore attrito rispetto ai comuni tessuti, e alla stessa pelle, è dovuta all'idrofobicità del materiale impiegato: come si può vedere nell'immagine in alto a sinistra, l'angolo di contatto è elevato (misurandolo con un goniometro risulta di 130 gradi, al limite della superidrofobicità), e l'acqua non riesce a bagnare il costume. E' interessante notare, nell'immagine di destra che mostra la stessa goccia da un'altra angolazione, come vi sia un sottilissimo strato argenteo di aria imprigionato tra la trama dei fili e il fluido, che fa sì che l'acqua non tocchi direttamente il tessuto. Scattando alcune foto su un altro costume (immagine in basso a sinistra), con il quale ho ottenuto risultati peggiori nelle competizioni cui ho partecipato, ho riscontrato come quest'ultimo avesse in effetti un angolo di contatto minore (a parità di dimensione della goccia).

Versando l'acqua ...

Emanuela Bussino

Cosa succede se rovesciamo dell'acqua in un bicchiere? Inizialmente il fluido è molto compatto ed assume la forma a cono tronco rovesciato prevista dall'equazione di Bernoulli e dall'equazione di conservazione della massa. Con il ridursi della sezione il ruolo della tensione superficiale diventa sempre più importante e, instaurandosi una condizione di instabilità, anche fenomeni apparentemente banali, come una leggera brezza, determinano la presenza di oscillazioni nel fluido. L'acqua poi si schianta contro la coppa, che, deviandone il percorso, complica ancora di più l'analisi della situazione. Ora tutto sembra in preda al caos, ma il fine della natura non è la pratica bensì la bellezza.

Blue Maelstrom in a glass

Elisa Panattoni

La foto mostra la diffusione ed il trasporto di un colorante (tempera) in acqua in moto vorticoso. Il moto è stato impresso all'acqua tramite un movimento circolare deciso e con sufficiente velocità di un pennello all'interno del bicchiere, successivamente è stato lasciato cadere il colorante dentro al vortice. Se l'acqua fosse stata ferma il comportamento della tempera in acqua sarebbe descritto con buona approssimazione dall'equazione della diffusione: dc/dt = k div[grad(c)] (c è la concentrazione e k e' la costante di diffusione); siccome il colorante è stato aggiunto all'acqua in movimento, oltre all'equazione della diffusione bisogna considerare il trasporto, quindi la combinazione delle due equazioni porta a quella finale: dc/dt + v* grad(c)= k div[grad(c)]. Questa è un'equazione di trasporto e diffusione e viene usata per studiare il comportamento di un contaminante (ad esempio inchiostro) che si muove in un fluido sotto l'azione del suo campo di velocità, con c uno scalare passivo che non influenza il campo di velocità v.

Specchio d'acqua a Duesseldorf

Elisa Lascialfari

In questo specchio d'acqua possiamo notare la formazione di piccole onde, le quali si propagano all'interfaccia di due mezzi fluidi; nel nostro caso, acqua e aria. Nel momento in cui è stata scattata la foto, il vento soffiava sulla superficie dello specchio liquido, applicando quindi una forza. Quest'ultima ha dunque perturbato lo stato di equilibrio di ogni particella d'acqua, formato dalla forza peso (agente verso il basso) e dalla spinta di Archimede (verso l'alto): m g= rho g V, dove V rappresenta il volume d'acqua spostato da ogni particella. Non appena ha inizio l'azione del vento, la velocità nella zona di interfaccia tra i due fluidi, passa da zero (configurazione di equilibrio) ad un certo valore di regime: questa fascia è detta strato limite atmosferico. Ora, analizzando la forza esercitata dall'aria, prendiamo in considerazione la componente tangenziale; questa provoca una deformazione di taglio che, ovviamente, viene subita da un fluido come l'acqua. Visivamente notiamo uno scorrimento di liquido nella direzione della forza e un'incurvatura sul pelo della superficie, che dà origine alla formazione di "ripples", ossia le varie piccole creste che si possono vedere in foto. I ripples dipendono da alcune variabili, caratteristiche sia del flusso del vento, sia della configurazione dello specchio d'acqua. In primis, all'aumentare dell'intensità della forza esercitata dal vento, l'ampiezza dei ripples aumenta e possiamo riscontrare una differenza di pressione tra la cresta dell'onda e la valle, spinta sempre più in basso. Nel nostro caso, la durata dell'azione del vento è particolarmente lunga e approssimabile a costante; questo fattore ha fatto sì che le onde fossero dipendenti esclusivamente dal flusso d'aria, non interrompendosi quindi al passare del tempo, e assumendo un andamento sempre uguale nello spazio a loro disponibile. Inoltre, la profondità e la lunghezza dello specchio d'acqua sono fattori che influenzano la grandezza dell'onda. Qui abbiamo una profondità di 50 cm e una lunghezza di circa 6 m (la vasca è quadrata), misure modeste che limitano l'altezza massima delle onde.

Condizione di aderenza e flusso turbolento

Giorgio De Mari

Nella fotografia si possono vedere 4 fili di lana attaccati ad una stecca in modo che si trovino a distanze diverse da una parete e sotto l'influenza di un flusso turbolento. Il flusso è stato generato utilizzando un tubo immerso nell'acqua e osservando la disposizione dei fili di lana si può vedere come questi siano sotto l'influenza di strati di moto diversi. La "no-slip condition" impone che un fluido in moto, a contatto con una lastra o una parete assuma una velocità pari a quella della parete stessa. Nel caso in cui il flusso sia turbolento si possono definire 4 zone in funzione della distanza dalla parete stessa. Più ci si avvicina alla parete più questa rallenta il flusso smorzando gli effetti vorticosi del moto turbolento. Lo strato più vicino è detto viscoso. Si ha un gradiente di velocità molto elevato e lo spessore dello strato è inversamente proporzionale a Re. Allontanandosi dalla parete si incontrano lo strato cuscinetto (buffer layer), quello di sovrapposizione e quello del flusso completamente sviluppato e turbolento che corrispondono a una diminuzione graduale degli effetti di parete. Nonostante lo strato viscoso sia spesso al massimo pochi millimetri, osservando la fotografia e partendo dai fili più a sinistra si può vedere come la vicinanza della parete renda il flusso più stabile con un'agitazione sempre maggiore dei fili spostandosi verso destra. Esistono leggi in grado di descrivere un profilo di velocità in modo soddisfacente per tutti gli strati tranne quello cuscinetto in cui si vedono i primi effetti vorticosi ma ancora predomina il flusso di tipo laminare.