La risalita del fluido è legata alla depressione che si crea all'interno della bottiglia quando questa viene riscaldata ad una temperatura molto alta (tramite acqua, vicina alla temperatura di ebollizione, che viene poi lasciata fuoriuscire prima di iniziare l'esperimento). Secondo l'equazione di stato dei gas perfetti, in un sistema a volume chiuso e a massa costante, ad una variazione di temperatura corrisponde una differenza di pressione. Nello specifico, l'aria calda contenuta nella cannuccia, al contatto con il fluido freddo, si raffredda localmente e, per l'elevato coefficiente di dilatazione termica che la caratterizza, tende a contrarsi. Essendo però confinata in un volume chiuso si crea una depressione, responsabile del deflusso di acqua lungo la cannuccia. Tale processo avrà fine solo quando il volume a disposizione dell'aria sarà quello di equilibrio con temperatura e pressione media.
Tensione superficiale e superficie minima
Marco Ferrando
La tensione superficiale è una forza di natura molecolare che si genera tra un fluido e un altro fluido, o tra un fluido e un solido, che tende a ridurre al massimo la superficie dell'interfaccia tra i due elementi. Le bolle di sapone sono sferiche proprio perché la sfera è il solido con minore superficie a parità di volume.
Nella foto, è possibile osservare una "superficie minima". Questa superficie, tra tutte le possibili aventi come bordo la "curva chiusa data", è quella che ha area minima; il problema di trovare queste superfici, assegnato un bordo chiuso, è chiamato problema di Plateau, e la sua risoluzione ha molte applicazioni in diversi ambiti. Nel caso specifico in figura, il bordo è costituito da un cubo, composto unicamente dai suoi vertici e spigoli, e la figura che si presenta è detta "ipercubo".
Per realizzare questa strana geometria, è stato usato un telaietto di produzione artigianale, che è stato immerso dentro una soluzione di acqua e sapone, a una temperatura di circa 50°C; tale miscela ha una bassa tensione superficiale, e ciò ha permesso la creazione di un'interfaccia stabile.
Effetti strani della reologia di un fluido
Matteo Alberto Visconti
Nella prima sequenza di immagini sono raffigurati la caduta e l'impatto di un palloncino contenente un fluido newtoniano di uso davvero comune: l'acqua. Un fluido si definisce newtoniano quando la sua viscosità non subisce variazioni in relazione alla velocità con cui vi si applica una sollecitazione, più precisamente: la viscosità non dipende dalla velocità con cui viene misurata. Possiamo osservare come istantaneamente il palloncino si rompa e l'acqua schizzi in ogni direzione mantenendo costante la sua viscosità ed uniforme la reazione alla sollecitazione.
A destra, nella seconda sequenza di immagini le esposizioni sono concentrate sul comportamento del fluido non newtoniano contenuto nel palloncino:
Caso 1: il palloncino impatta parzialmente, la zona di contatto è il bordo del vaso. Possiamo notare come la variazione di viscosità localizzata alla sola zona interessata dall'urto abbia indotto la rottura laterale del palloncino con conseguente fuoriuscita a bassa velocità del fluido meno viscoso.
Caso 2: il fluido a bassa viscosità fuoriuscito dalla zona del palloncino non interessata dall'urto è il primo a giungere al suolo, seguito però dai resti di fluido raggrumato visibili nell'immagine, vicino al bordo del vaso, che più lentamente si dirigono verso il basso.
Caso 3: al centro del vaso è stato posto un oggetto appuntito in grado di perforare il palloncino prima che si potessero manifestare gli effetti dovuti alla variazione di viscosità. E' osservabile come il fluido abbia deviato il suo moto in senso radiale verso l'esterno, minimizzando la quantità di grumi presenti.
Caso 4: questa volta è stato posto al centro del vaso uno spessore perfettamente piatto, al fine di massimizzare la superficie d'impatto ed il liquido all'interno del palloncino ha variato la sua viscosità dando origine ad un urto parzialmente elastico. La parte che ha impattato col vaso è quella di destra, nella quale è visibile un comportamento simile a quello di un solido, mentre la parte sinistra, a viscosità inferiore, ha subito una deformazione più marcata lasciandosi trascinare.
Tornado di fuoco
Federico Pastore
Il cosiddetto "tornado di fuoco" è, in natura, un raro fenomeno
meteorologico. Esso non sorge da perturbazioni temporalesche e può
verificarsi quindi anche a ciel sereno. Nasce dal connubio di una forte
corrente convettiva calda ascensionale ed una fredda discensionale.
Entrambe sono date sia dalle circostanze dell'ambiente che lo ospita, sia
dalla combustione che genera la fiamma.
La formazione di un tornado di fuoco avviene dove sono già presenti
incendi
o fiamme di vario tipo, in particolare in zone torride e con forti
gradienti di temperatura al variare della quota.
Nel caso dell'esperimento invece, la corrente ascensionale calda è data
dall'unione della combustione del bioetanolo con il moto vorticoso
generatosi dalla rotazione all'interno del cesto di alluminio. Come viene
mostrato nel video infatti, se viene rimosso il cesto, facendo comunque
ruotare la base con la fiamma sovrapposta, non si genera alcuna spirale;
questo è dato appunto dal fatto che la causa scatenante del fenomeno
nell'esperimento, non è la rotazione relativa della base rispetto all'aria
circostante, bensì il vortice d'aria formatosi per attrito viscoso tra la
parete interna del cestino e l'aria adiacente. Dal punto di vista
fluidodinamico lo studio può essere analizzato in maniera analoga rispetto
ad un tornado generico: se
prendiamo il profilo di velocitàdi una sezione orizzontale del vortice, supponendo
approssimativamente costante il moto al variare della quota, possiamo individuare,
come per il caso di un tornado reale, una zona di moto rigido interno con pressione
molto bassa, rotazionale ma inviscido (distribuzione lineare di velocità
U(teta)=omega*r), ed una zona di vortice cosiddetto "potenziale", irrotazionale
ma dove le forze viscose sono comunque rilevanti (distribuzione iperbolica
di velocità U(teta)=K/r). L'analisi del campo di pressione di un flusso simile,
attraverso l'equazione di Eulero ed il trinomio di Bernoulli, ci mostra come
essa diminuisca fortemente al diminuire del raggio; ciò si manifesta ai nostri
occhi con una forte concentrazione della fiamma verso il centro del cestino.
L'effetto d'innalzamento della fiamma è dato dal principio di continuità ossia
data div V= circa 0, essendo il fluido compresso al centro del cestino, con
conseguente diminuzione del diametro della fiamma,e subendo anche una spinta
dal basso per convezione, tende a slanciarsi verso l'alto.
Per effettuare questo esperimento mi sono servito di uno spazio aperto
lontano da possibili oggetti infiammabili, ho utilizzato come combustibile
del bioetanolo (un alcool di origine biologica a lenta combustione), mi
sono munito di una manichetta d'acqua per imprevisti di modesta entità e di
un piccolo estintore per incidenti maggiori, ho infine realizzato l'intero
esperimento insieme ad un' altra persona in modo che potesse collaborare in
ogni passaggio.
Vulcano fai-da-te
Alessio Bagnasco
Nel video ho ricreato una "eruzione", servendomi di un modellino di vulcano utilizzando del comune aceto, detersivo, bicarbonato e del colorante, che mescolati insieme nel giusto ordine hanno creato l'effetto della lava che cola.
Una prima spiegazione del fenomeno può essere attribuita alla reazione del bicarbonato: mischiato con l'aceto ha creato CO2 (anidride carbonica) che ha permesso al fluido di espandere sotto forma di "schiuma"; il detersivo in questo caso ha giocato sulla corporeità della schiuma che si è venuta a creare. Dal punto di vista della meccanica dei fluidi ho voluto far notare il fenomeno della formazione di schiuma che consiste nella dispersione di un gas all'interno di un liquido o di un solido (schiuma liquida o solida). Le schiume hanno una struttura tipicamente disordinata dovuta alla varietà di bolle presenti al proprio interno; è stata attribuita loro anche una forma geometrica rappresentabile con dei poliedri a 12 facce, esagoni e pentagoni in modo da ridurre al minimo la superficie di contatto tra di loro. Inoltre possono presentare caratteristiche di dispersione colloidali (cioè una sostanza in una miscela si trova a metà tra la soluzione e la dispersione). Le schiume sono ampiamente notabili in natura, dovute anche a fenomeni meccanici, come la creazione di schiuma sulle onde del mare che con il loro moto riescono a immagazzinare grandi volumi di aria.
Il motore a tensione di superficie
Vincenzo Craviotto
La realizzazione di questo esperimento molto interessante è semplice.
Da un foglio di cartoncino si ricavano delle sagome a forma di barca, con un
intaglio ed un incavo circolare che possono essere posti lungo l'asse di simmetria
della sagoma oppure decentrati. Posizionando una di queste sagome nel "bacino"
d'acqua e ponendo nell'incavo circolare un pezzetto di sapone,
si può notare come esso cominci a muoversi. Questo fenomeno curioso può essere spiegato attraverso l'effetto di Marangoni. Il sapone rilascia delle molecole di tensioattivo nell'acqua, creando così due zone caratterizzate da diverse tensioni superficiali. Essendo che la zona
con tensione superficiale maggiore esercita una forza su quella a tensione superficiale
minore, si crea un gradiente che causa lo spostamento del liquido verso le zone
caratterizzate da una tensione superficiale minore. Nel caso rappresentato nel video,
la sagoma viene trascinata dal moto della superficie del fluido sulla quale galleggia.
La direzione del moto della sagoma è generalmente dettata dalla posizione dell'intaglio,
infatti se la posizione dell'intaglio è decentrata rispetto all'asse di simmetria,
la sagoma seguirà una traiettoria circolare. Al posto del sapone possono essere
impiegate anche altre sostanze, purché abbiamo un buon potere tensioattivo,
come per esempio la canfora.
L'effetto suolo
Tommaso Lanza
Dall'equazione di Bernoulli
possiamo notare come, a regime subsonico, per una diminuzione di sezione
si creano un aumento di velocità ed una diminuzione di pressione all'interno
del suddetto condotto. Avendo una pressione interna al condotto minore di
quella esterna il mio condotto sarà oggetto a compressione su tutta la sua
superficie esterna. Questo principio applicato al mondo automobilistico
prende il nome di "effetto suolo". Questo fenomeno fu studiato e applicato
sulle macchine da formula 1 negli anni '70 fino ad arrivare a modelli che
hanno scritto la storia dell'aerodinamica automobilistica.
Uno di questi fu la Lotus 79, sviluppata nel '77 dal famoso ingegnere
Colin Chapman , che fu definita come "la regina dell'effetto suolo".
La scocca della Lotus 79 aveva, sui fianchi della postazione di guida, due
condotti che avevano le pareti laterali perpendicolari al terreno, quella
superiore composta da una sorta di ala (ovviamente con profilo rovesciato
rispetto alle ali degli aerei) e quella inferiore era direttamente il terreno.
Nel video proposto ho costruito un piccolo profilo alare e l'ho inserito in un
condotto rettangolare simile a quello della Lotus '79. Disponendo il modello
su un piano inclinato possiamo osservare che scivola ovviamente verso il basso,
in quanto la componente della forza peso ortogonale al piano inclinato non è
sufficiente a creare abbastanza forza d'attrito che terrebbe il modello fermo.
Intervenendo con un flusso d'aria, diretto parallelamente alla corda dell'ala e con
verso che va dal bordo di attacco a quello di uscita, ha luogo l'effetto suolo,
quindi il modello rimane fermo. Infatti questo sistema crea una forza ortogonale
al piano d'appoggio, che incrementa la preesistente componente della forza peso,
aumentando la forza d'attrito con il terreno.
Distacco di vena fluida
Mattia Fulcheri
L'azione di trascinamento esercitata su di un corpo immerso in un fluido è la risultante degli sforzi normali e tangenziali
che quest'ultimo esercita sul profilo del corpo.
Gli sforzi normali sono legati alle pressioni che entrano in gioco e la resistenza che generano è detta di forma, mentre quelli
tangenziali sono legati esclusivamente a sforzi viscosi tra fluido e profilo e la resistenza da loro generata è detta resistenza d'attrito.
Prove sperimentali e teorie analitiche hanno dimostrato che le azioni tangenziali di natura viscosa non alterano tutto il
campo di moto intorno al profilo ma solo una zona di limitate dimensioni nei suoi immediati dintorni, che Prandtl nominò strato limite.
Esso è uno strato sottile di fluido dello spessore di qualche millimetro aderente alla parete del profilo nel quale si manifestano tutti gli effetti della viscosità. Agendo sullo strato limite si può ridurre o addirittura impedire il distacco dei vortici riducendone la resistenza al moto e massimizzando di conseguenza l'efficienza del profilo.
Attraverso l'esperimento si possono notare chiaramente due zone distinte governate da due moti differenti. Nella prima zona vige il moto laminare mentre la seconda è governata da moto turbolento.
Per un valore di Reynolds critico avviene il passaggio da moto laminare a moto turbolento, ciò è dovuto alla conseguente perdita di energia cinetica delle particelle fluide con conseguente aumento del gradiente di pressione nella direzione del moto.
Per evidenziare ciò, l'esperimento è stato condotto utilizzando due velocità differenti.
La prima, che dura fino a 27 sec., è la velocità più elevata per cui possiede una maggiore energia cinetica che porta un distacco della vena fluida dal profilo a maggiore distanza rispetto alla seconda velocità che viene adottata dai 27 sec. in poi.
Inoltre, si può notare l'effetto immediato del distacco della vena fluida dal profilo del sottomarino che forma la regione di scia con conseguente rilascio di vortici per tutta la lunghezza del modello.
L'effetto Magnus
Mattia Aurelio
L'effetto Magnus è stato in questo caso verificato utilizzando un fucile ad aria compressa dotato di hop-up,
dispositivo che permette di mettere in rotazione il proiettile, una sfera con diametro pari a 6 mm,
del peso di
0.25 g, sparata a circa 90 m/s. L'esperimento paragona, mediante due prove distinte, la traiettoria del
proiettile nel caso in cui questo non abbia velocità angolare (1^ prova) a quella ottenuta con hop-up in
funzione (2^ prova).
Nella 1^ prova si può notare come la sfera abbia un moto parabolico non influenzato da forze di portanza, di
conseguenza la gittata utile è piuttosto bassa, circa 20 m.
Nella 2^ prova il dispositivo hop-up entra in funzione mettendo in rotazione il proiettile. Si può notare come
in questo caso la traiettoria non sia più la classica parabola discendente ma, in un primo tratto, segua un
andamento quasi rettilineo (circa 40 m), per poi "impennarsi" verso l'alto.
Il vantaggio quindi è significativo in quanto andando a regolare in maniera ottimale il dispositivo si riesce a
stabilizzare il moto del proiettile ed incrementare la gittata utile del fucile di circa 20-25 metri.
L'effetto Leidenfrost
Davide Cuman
L'effetto Leidenfrost è un effetto fisico che consiste nella non-vaporizzazione di una goccia di un qualunque liquido lasciata cadere su di una piastra, riscaldata ad una temperatura decisamente superiore a quella di ebollizione del liquido stesso.
Nel nostro esperimento viene utilizzata dell'acqua la quale ha come punto di ebollizione 100 gradi C: portando la piastra alla temperatura di 100 gradi C la goccia evapora nel giro di un secondo, ma aumentando la temperatura fino a quasi 200 gradi la goccia rimane integra e "resiste" sulla piastra per quasi un minuto.
Il fenomeno si verifica a partire da una determinata temperatura detta punto di Leidenfrost, perchè al di sotto della goccia si viene a formare istantaneamente uno strato di vapore che permette dunque alla goccia d'acqua di vaporizzare più lentamente: poichè il coefficiente di conducibilità termica del vapore è molto basso il calore della piastra impiega molto tempo a trasferirsi alla goccia e a farla quindi evaporare.
Il vapore inoltre funge anche come cuscinetto andando ad isolare meccanicamente la goccia diminuendo notevolmente l'attrito tra la goccia stessa e la piastra determinandone così il rapido movimento su di essa.
Turbina di Tesla a effetto Coanda
Fabio Parodi
Nel video è possibile osservare in funzione una turbina di Tesla che, come si osserva, non necessita di alcun tipo di palette, ma sfrutta uno degli effetti dello strato limite: l'effetto Coanda. A causa di questo effetto il fluido,
per adesione viscosa, tende a seguire il contorno della superficie
dei dischi della turbina, cedendo al contempo energia cinetica.
Poiché cedendo energia il fluido rallenta, la sua traiettoria tenderà ad essere una spirale diretta fino al centro della turbina, dove è posto lo scarico (i fori intorno all'albero visibili alla fine del video).
Un tipico fenomeno fisico che si può riscontrare in cucina è l'effetto Leidenfrost; tale effetto si manifesta quando un liquido entra in contatto con una superficie avente una temperatura più elevata di quella di ebollizione del liquido stesso. Nel video in questione abbiamo semplicemente acqua che entra in contatto con una superficie liscia di una padella in alluminio che ha una temperatura notevolmente superiore a 100 gradi. Lo strato a contatto diretto con la superficie evapora istantaneamente producendo uno strato gassoso (essendo i gas cattivi conduttori di calore l'evaporazione sarà più lenta) che permette al liquido soprastante di galleggiare sulla superficie.
L'acqua non cade perchéi sul fondo del bicchiere si crea una depressione, dopo che è stato capovolto. La pressione atmosferica agisce sulla superficie coperta dal foglio ed in ogni punto è perpendicolare ad essa. La forza peso dell'acqua è contrastata dalla forza di pressione. Il foglio è fondamentale perché trattandosi di una superficie non eccessivamente piccola, la mantiene piatta e quindi non ammette la formazione di onde.
In presenza di onde la forza di pressione non sarebbe unica e perpendicolare a tutta la superficie ma porterebbe alla rottura del pelo libero
Leva idraulica e principio di Pascal
Federica Grosso
Il funzionamento della leva idraulica e l'applicazione del principio di Pascal sono raffigurati nell'immagine. La leva modello é stata realizzata fissando a un supporto di base due siringhe di diametro e lunghezza differenti, i cui beccucci sono collegati mediante una tubazione flessibile trasparente. Le siringhe contengono un fluido incompribile (acqua) per mezzo del quale viene trasmessa la forza dalla siringa con il diametro minore a quella con il diametro maggiore.
Lo scopo dell'esperimento é quello di mostrare come sia possibile sollevare un oggetto di peso maggiore impiegando un contropeso più leggero grazie allo sfruttamento della legge di Pascal:
P=FA.
F1A1=F2A2 allora F2=F1xA2/A1 quindi maggiore è il rapporto tra le aree e maggiore sarà il peso che posso sollevare a paritá di F1.
Questo principio é utilizzato anche in medicina (manovra di Heimlich).
Moto di Stokes
Luca Tassistro
Oggetti utilizzati:
-pesetto da cucina (peso 20g)
-contenitore cilindrico trasparente
-piano inclinato (angolo di inclinazione circa 9°)
-miele
Nella prima parte dell'esperimento ho inserito nel cilindro il pesetto, lasciandolo libero di scorrere lungo il piano inclinato. L'oggetto ha percorso tutta la discesa in circa un secondo.
Nella seconda parte ho inserito pochi grammi di miele (un fluido caratterizzato da un valore alto della viscositÃ) all' interno del cilindro, in modo tale da ricoprire l'intera superficie laterale del pesetto. In questo caso il corpo impiega più tempo ad arrivare alla fine del percorso, perché si è generata una forza resistente che ne ostacola il moto. Questa resistenza nasce grazie all'elevata viscosità del miele, che genera un cosiddetto "moto di Stokes".
Tensione superficiale in cucina
Giulia Parodi
Macinando del pepe in una bacinella d'acqua, notiamo che la polvere rimane in superficie. Questo è possibile grazie ad un bilancio di forze sul pepe: la forza peso viene contrastata dalla tensione superficiale, dovuta alle forze attrattive tra molecole di liquido: se le particelle interne rimango in equilibrio perchè le azioni attrattive sono simmetriche, quelle sulla superficie non godono della stessa simmetria; essendo le interazioni attrattive del liquido maggiori di quelle dell'aria, le particelle d'acqua tenderebbero a muoversi verso l'interno, tuttavia vengono spinte verso l'alto dalle molecole sottostanti che non vogliono comprimersi. L' introduzione del sapone, noto tensioattivo, comporta un abbassamento della tensione superficiale e quindi una caduta del pepe verso il basso.
Densità e viscosità
Federico Rosini
Nella parte introduttiva del video verso del colorante rosso in un bicchiere d'acqua a cui successivamente aggiungo dell'olio che, avendo una densità minore di quella dell'acqua, galleggia.
Secondariamente (minuto 1:00) verso dei cucchiaini di sale che viene ricoperto da un sottile film d'olio che lo protegge ed evita che esso si solubilizzi nell'acqua; si può notare anche che sul fondo del bicchiere si formano delle piccole gocce d'olio che si staccano dal film e si muovono verso la superficie.
Nell'ultima parte del video (minuto 1:25) verso con un contagocce del colorante blu che, come il sale, viene ricoperto da un sottile film d'olio. In questo caso (dato che il colorante è meno denso del sale) si riesce a notare meglio l'azione della viscosità dell'olio che crea uno sforzo tangenziale verso l'alto e la rallenta nella sua caduta.
Quando la goccia di colorante cade sul fondo tende a rompere il film e
a miscelarsi con l'acqua.
La densità dell'acqua
Clarissa Casagrande
La densità dell'acqua fredda è maggiore di quella di acqua calda. Nel primo caso infatti vediamo che, ponendo il liquido freddo sopra, esso si mischia con quello caldo; viceversa, ponendo il barattolo caldo sopra, essendo il liquido a densità minore, esso rimane al di sopra del liquido freddo senza mischiarsi.
L'uovo con il paracadute
Luca Caliendo
Sono stati utilizzati per l'esperimento 250 grammi di amido e 180 grammi di acqua. La miscela di amido e acqua crea un fluido non-newtoniano. I fluidi non newtoniani hanno la capacitàdi utilizzare l'energia che arriva dall'esterno per rafforzare i legami interni tra le molecole: se l'energia è poca restano liquidi se è tanta si trasformano temporaneamente in solidi.
L'impatto della caduta del sacchetto trasforma per qualche secondo la miscela di amido e acqua in un solido proteggendo il guscio dell'uovo dalla rottura, diversamente dall'acqua che non protegge l'uovo. Appena l'energia dell'urto si è esaurita la miscela acqua-amido torna liquida.
La portanza
Claudia Ravera
L'obiettivo di questo video è quello di spiegare il fenomeno della portanza.
Comunemente, si attribuisce, semplicisticamente, il manifestarsi di questo fenomeno al
principio di Bernoulli. Quest'ultimo mette correttamente in correlazione l'aumento della
velocitàdell'aria su di una superficie e la riduzione di pressione che vi si può rilevare.
Tuttavia, questo principio non è in grado di definire a pieno il complesso fenomeno della portanza.
A questo proposito, l'esperimento del flusso d'acqua sul cucchiaio può aiutare a comprendere
più chiaramente gli effetti aerodinamici.
Il cosiddetto effetto Coanda, infatti, fa sì che in presenza di una corrente d'acqua che scorre lungo una superficie solida e leggermente curvata, anche al di fuori di essa, l'acqua tenda a seguire tale superficie.
Proprio grazie a questo effetto, nel presente video si può osservare come l'acqua riceva una deviazione di flusso verso sinistra e, conseguentemente, per il principio di azione e reazione, il cucchiaio riceva una spinta verso destra.
Allo stesso modo, la particolare geometria dell'ala di un aereo fa sì che l'aria devii verso il basso e, di riflesso, l'ala riceva una forza che la spinge verso l'alto. Questa particolare forza, unita al principio di Bernoulli, genera il fenomeno chiamato "portanza".
Tensione superificiale dell'acqua
Lorenzo Moschillo
In questo breve video mostro come una graffetta di metallo possa rimanere sopra il pelo libero dell'acqua.
Il principio di Archimede afferma che un oggetto galleggia solo se possiede densitàinferiore del fluido in cui esso è immerso.
La densità media della graffetta metallica,essendo un oggetto non cavo, è chiaramente maggiore di quella dell'acqua .
Per quale motivo dunque la graffetta rimane a galla?
Nel video si può notare che attorno alla graffetta si crea una leggera deformazione della superficie dell'acqua, come se essa fosse appoggiata ad una membrana elastica.
Questo fenomeno è permesso grazie ad una proprieta dei liquidi nota come tensione superficiale.
La tensione superficiale si manifesta come una resistenza da parte della superficie dell'acqua a non essere penetrata.
Le molecole d'acqua che si trovano sul pelo libero a diretto contatto con l'aria tendono ad interagire tra loro con maggiore forza, generando così un'opposizione contro qualunque tipo di perturbazione. Ovviamente tutto questo vale solo se l'oggetto che galleggia è leggero e posizionato sulla superficie in modo delicato.
Flusso attorno ad un profilo alare in galleria del vento
Riccardo Cambiano
Ho costruito una galleria del vento per osservare il comportamento del flusso di aria
attorno ad un profilo alare. Per angoli di attacco piccoli e con un profilo alare quasi
simmetrico la zona di flusso separato è ridotta. Estremizzando l'angolo di attacco, la zona
di flusso separato aumenta drasticamente, fino a una completa separazione del flusso.
La completa separazione del flusso genera una condizione di stallo dell'ala.
La circolazione che si viene a formare nella zona del flusso separato è fondamentale in
quanto accelera il flusso che scorre sopra l'ala, diminuendo la pressione; la circolazione
rallenta invece il flusso sotto l'ala, aumentando la pressione. E' proprio la differenza di
pressione che si viene a creare che genera portanza. Nella parte finale del video viene
mostrata l'utilità del raddrizzatore di flusso (filtro costruito con cannucce in plastica
di lunghezza 6 cm) e la struttura galleria del vento.
Idrostatica in un bicchiere di birra
Federico Noseda
U-boot è una birra al cui interno è posizionato un bicchierino di vodka rovesciato. La
pressione generata dalla birra sul bicchierino permette di mantenerlo fermo in posizione.
Ovvero con il bicchiere pieno si ha equilibrio delle forze e dei momenti. Quando si svuota
il boccale di birra la pressione esercitata al fluido sul bicchierino diminuisce, quindi
bevendo si aprirà e la vodka si mischierà alla birra.
La formazione di nubi
Cecilia Gattino
Quando due regioni barotropiche, solitamente stabili (infatti all'interno di una zona il
campo di velocità è essenzialmente costante e senza vorticità) si incontrano si genera
una zona di transizione tra di esse, data dalla differenza di pressione e temperatura
tra i due fronti. In questa zona di transizione le due masse d'aria si sovrappongono,
quella di alta temperatura e quindi a densità minore di solito tende a posizionarsi sopra,
la zona di fronte è fortemente baroclina e quindi tende a essere molto perturbata, il
gradiente di temperatura favorisce la variazione di velocitàdel vento con il variare della
quota, generando appunto correnti a getto.
Le correnti a getto si comportano, nei confronti dell'aria circostante, come la corrente di
un canale veloce che di immette in un fiume lentissimo, quindi si genera una zona centrale
di alta velocità e delle zone circostanti molto vorticose che possono creare problemi,
ad esempio ad aerei in volo.
Infatti le correnti di atmosfera generano dei moti molto simili alle correnti di scorrimento ovvero shear flows, si hanno campi di moto ove la velocitàè orientata principalmente in una direzione ma il modulo varia in direzione ortogonale.
L'instabilità di queste correnti, studiate nella dinamica dei fluidi, permette di avere uno strumento fondamentale per conoscere i punti di formazione delle nubi e lo sviluppo delle precipitazioni.
Tensione di superficie
Ludovico Musenich
La tensione di superficie porta la lamina fluida ad assumere la minor area possibile.
Rompendo la lamina che si è creata all'interno del filo, esso assume la forma di una circonferenza poichè fra tutte le figure geometriche piane di egual perimetro (la lunghezza del filo è fissa), è quella di area massima, di conseguenza la parte restante di lamina fluida assume la superficie minima.
Una goccia non-newtoniana in acqua
Nicolò Carotenuto
L'esperimento consiste nel far cadere due volte una singola goccia di smalto per unghie
(fluido non Newtoniano, cioè il grado di viscosità varia con la velocità con cui si misura)
in un bicchiere d'acqua, la prima da un altezza millimetrica rispetto al pelo libero dell'acqua
e la seconda da circa 20 centimetri.
Nel primo caso noteremo subito che la goccia, appena toccata la superficie dell'acqua, come ci si
può aspettare, si sfalderà e date le sue ridotte dimensioni si disperderà in essa.
Nel secondo video la forza con cui colpisce l'acqua
risulta rilevante, la goccia di smalto avràun'alta velocità di impatto, maggiore rispetto
al primo caso, indurendosi all'istante del contatto rimanendo sferica e compatta.
L'effetto Magnus nel calcio
Marco Ferrari
L'effetto Magnus è un fenomeno legato alla meccanica dei fluidi per cui, imprimendo una rotazione ad un corpo, si genera su di esso una portanza.
Ne abbiamo un chiaro esempio nei "tiri ad effetto" nel mondo del calcio. La traiettoria curva che prende la palla calciata è dovuta proprio all'effetto Magnus e alla creazione di portanza.
Anelli di fumo
Matteo Torri
Il fumo, accumulatosi in una sorta di camera (= bocca del fumatore), viene spinto
in moto turbolento attraverso una sezione circolare (= labbra del fumatore) e, essendo il fumo
viscoso, quando a contatto con le pareti (= attrito) e si muove più lentamente rispetto al fumo
nel centro pertanto tende a concentrarsi/addensarsi, mentre quello centrale fluisce più
facilmente. Inoltre entra in gioco la vorticità a causa della diversa velocità delle
particelle di fumo che genera la rotazione del flusso. Pertanto si può individuare un asse
centrale che passa nel centro della "ciambella" e due vortici alle estremità; il flusso
passante lungo l'asse nel foro al centro, una volta uscito, è soggetto a un vortice che lo
fa ruotare su se stesso fino a tornare al vortice entrante formando così un anello.
Aerodinamica di vari oggetti
Federico Farinella
Con questo video cerco di mostrare il diverso coefficiente aerodinamico dei tre oggetti da me scelti: un profilo alare, un classico taxi inglese e un'auto "speciale".
L'effetto Loto
Stefano Castagnetta
Nei fluidi le forze di attrazione intermolecolare agiscono in tutte le direzioni in modo uguale.
Vicino alla superficie, le forze di attrazione sono dirette verso l'interno, tirando le molecole
più esterne in verso opposto. Il risultato di questo è che le forze di attrazione molecolare
agiscono in modo che si abbia la superficie esterna meno estesa possibile, e per un solido questa
si ottiene con una sfera. Questo fenomeno è molto vistoso nell'acqua perchè ha legami
intermolecolari molto forti. Quando poste su una superficie piana le sfere assumono una forma
più schiacciata per via della loro massa. Dalle immagini si può osservare come le goccie
assumano una forma più o meno sferica a seconda del materiale su cui sono posate. Questo
dipende dalla bagnabilità del materiale che a sua volta dipende dalla sua rugosità e la polarità
e quindi l'angolo di incidenza delle gocce che risultano essere meno rotonde nella parte
inferiore che in quella superiore.
L'effetto Leidenfrost
Filippo Biamonti
L'effetto Leidenfrost, dal nome del fisico che per primo lo studiò, Johann Gottlob Leidenfrost (Ortenberg 1715 - Duisburg 1794), consiste nella non-vaporizzazione istantanea di una goccia di un qualunque liquido lasciata cadere su di una piastra, riscaldata ad una temperatura decisamente superiore a quella di ebollizione del liquido stesso.
Prendiamo in considerazione l'acqua: portando la piastra intorno ai 100 gradi centigradi (quindi al punto di ebollizione), la nostra goccia evapora nel giro di un secondo con un tipico sfrigolio, ma aumentando la temperatura circa fino a 200 gradi la goccia rimane integra e "resiste" sulla piastra anche oltre un minuto, ed ecco ottenuto il nostro effetto Leidenfrost, conosciuto anche con il nome di calefazione.
Il fenomeno si verifica a partire da una particolare temperatura, indicata come punto Leidenfrost,
perché sotto la goccia, quando essa viene in contatto con la piastra, si forma quasi istantaneamente
uno strato di vapore che la protegge dalla vaporizzazione: poiché il coefficiente di conducibilità
termica del vapore è molto basso, il calore della piastra impiega molto tempo per trasferirsi alla
goccia e farla evaporare interamente. In più il vapore, come un cuscinetto, isola anche
meccanicamente la goccia, riducendone notevolmente l'attrito con la piastra e determinandone così
il rapido movimento sulla stessa.
Gatti e fluidodinamica
Irene Fontana
Seppur ad una prima occhiata cane e gatto sembrino bere nello stesso modo, recenti studi hanno
dimostrato come essi utilizzino invece principi fisici differenti.
Ciò che salta subito all'occhio è il comportamento meno aggraziato del cane: egli sfrutta il principio di Archimede immergendo nella ciotola gran parte della lingua, ripiegandola adeguatamente su se stessa per formare una sorta di cucchiaio. I gatti invece non immergono la lingua nell'acqua né la ripiegano su se stessa, limitandosi ad incurvarne la punta per formare una J ed a sfiorarne la superficie.
Nonostante si possa pensare che i felini sfruttino anche l'effetto capillare dovuto alla rugosità della superficie della lingua, la parte che appoggia sullo strato d'acqua risulta invece liscia: essi dunque creano un delicato equilibrio solo tra la forza di gravità che spinge nuovamente il liquido nella ciotola, e l'inerzia, la tendenza del liquido a continuare a muoversi in una direzione a meno che un'altra forza non interferisca.
Come si può notare ad esempio portando un cucchiaio sul pelo libero dell'acqua ed accelerandolo, le forze di adesione tra solido e fluido vincono la tensione superficiale dell'acqua creando una colonna d'acqua che segue il solido finché la forza gravitazionale non vince l'inerzia e la fa ricadere. Battendo il palmo della mano sulla superficie di una piscina, a causa della tensione superficiale si nota che molta acqua rimane per un breve periodo attaccata al palmo della mano, noi purtroppo non siamo così veloci da chiudere la mano in tempo per afferrarla. Il gatto invece ne è capace ed infatti, secondo quanto è stato studiato dal Massachusetts Institute of Technology, egli sa che dopo che la lingua si ritrae, l'acqua si muove verso l'alto per inerzia ed istintivamente sa stabilire con quale velocità imprimere moto all'acqua per spostarne un'adeguata portata, ovvero solamente una colonna tale da essere catturata con la bocca prima che la gravità vinca.
Gli scienziati del MIT hanno inoltre sintetizzato il processo di abbeveraggio felino con una funzione basata sul numero di Froude, il quale misura la relazione tra forze d'inerzia e forza di gravità . In questo modo si è giunti ad un rapporto inversamente proporzionale tra la frequenza di lappata e la massa dell'animale: una tigre infatti disponendo di una superficie di contatto con il fluido maggiore crea una colonna di dimensioni maggiori limitando così la frequenza di bevuta.
Il principio di Archimede
Alessandro Cavo
La carta di arance riesce a volare grazie alla forza di Archimede: "un corpo interamente o parzialmente immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l'alto pari al peso del volume di fluido spostato".
Essa si genera grazie al calore sviluppato dalla zone dell'aria calda che risulta più leggera dell'aria spostata (perché la densità dell aria diminuisce all'aumentare della temperatura); in questo modo la carta riesce a salire verso l'alto.
Questa spinta cessa di esistere quando il calore generato si esaurisce.
Remi vorticosi
Sergio Romani
Nel canottaggio la fluidodinamica è ciò su cui si basa ogni singolo aspetto di questo sport, dalla forma delle barche ai remi, alla tecnica di voga.
Nella concezione di remi e pale primeggiano sicuramente gli australiani della Concept2, molto attivi nel campo della ricerca e della innovazione. Recentemente hanno presentato un nuovo modello di asta in carbonio, estremamente sottile e rigida, per diminuire gli effetti di resistenza dovuti al vento e in minor parte all'acqua. La novità più interessante è un elemento che quasi non si nota: si tratta di una bandella nera in fondo alla pala. Fino a ieri avevo pensato che fosse una sorta di gommino protettivo che impedisse alla pala di usurarsi durante i vari trasferimenti, invece ho scoperto che si tratta di una tecnologia molto rilevante. Questa bandella, chiamata "vortex edge", serve a creare una turbolenza sullo strato limite del fluido, nella direzione del moto della pala in acqua, perpendicolare alla barca, che si propone di evitare la caduta della portanza a scapito della resistenza. La resistenza che l'acqua esercita sulle pale, infatti, è maggiore se il moto del fluido è laminare, ovvero se le molecole dell'acqua si muovono lungo linee di corrente parallele alla pala e non si mescolano tra di loro, perchè in tale circostanza la vena fluida può staccarsi facilmente dalla pala. La resistenza decade invece notevolmente se il moto è turbolento, ovvero le molecole dell'acqua si muovono in maniera disordinata, in quanto così si evita il distacco della vena fluida e di conseguenza lo stallo della pala. Questa tecnologia e' stata importata dall'aeronautica, in particlare studiando i profili alari degli aerei di ultima generazione, il cui scopo e' pressoche' lo stesso delle pale da canottaggio, soltanto che queste ultime hanno a che faro con un liquido assai piu' viscoso e "pesante" dell'aria.
L'effetto Kaye
Alessandro Dotto
Nel video è rappresentato l'effetto Kaye, caratteristico dei fluidi non newtoniani shear-thinning la cui viscosità diminuisce all'aumentare dello sforzo di taglio che ordina le mycelles del sapone diminuendone l'interazione. Facendo colare un filo sottile di bagnoschiuma su un piano inclinato dopo alcuni secondi si iniziano a formare degli zampilli che dalla base del grumo di sapone saltano secondo direzioni non ben definite ma preferenzialmente verso la discesa del piano. Il diametro degli zampilli dipende dalle dimensioni del getto in ingresso: per evidenziare ciò nella prima parte del video è stato colato meno sapone creando quindi un getto sottile, mentre dall'istante 1.05 min si è aumentata un poco la dimensione del getto e successivamente (da 2.4 min) si è fatto lo stesso in maniera più marcata. La spiegazione dell'effetto Kaye può essere fornita in maniera chiara da ciò che accade all'istante 3.27 e seguenti, in cui si vede nitidamente il getto in entrata che esce poi (con la stessa dimensione) dal fluido sul piano poco più a valle dell'ingresso: ciò è dovuto alla formazione di un sottile strato di fluido con viscosità ridotta tra il getto in ingresso e la sede di arrivo a causa delle elevate tensioni a cui quest'ultima è sottoposta per l'impatto; più è bassa la viscosità del film formatosi, più le perdite di energia cinetica e quantità di moto da parte del getto in entrata sono piccole, quindi esso riesce a "rimbalzare" sullo strato del piano. All'istante 2 min si raggiunge un punto di stabilità del fenomeno dal momento che lo zampillo effettua più balzi ripetuti in vari punti dello strato in ognuno dei quali si conserva l'energia cinetica, ma non tutta, come evidenziato dalle lunghezze dei salti che sono decrescenti. Inoltre dall'esperimento emerge la notevole instabilità del fenomeno vista la sua dipendenza da numerosi parametri: le bolle che si formano nel processo ostacolano la formazione del getto in uscita; quest'ultimo è visibile se si usa un piano inclinato (con uno orizzontale si verticalizza fondendosi con quello in ingresso); lo spessore dello strato sul piano come anche l'altezza di caduta sono fondamentali per la creazione del getto.
Stone skipping
Federico Bisio
Lo Stone skipping, o "pietra saltante", è il classico lancio di sassi sull'acqua che tutti nella vita abbiamo sperimentato.
Siamo, però, in grado di spiegare come questi rimbalzi siano possibili?
Normalmente verrebbe da pensare che un sasso lanciato in acqua affondi avendo un peso specifico maggiore
(principio di Archimede)
Partendo dal presupposto che la forza d'appoggio di un liquido è direttamente proporzionale al quadrato della velocità
di immersione moltiplicato per la superficie di contatto,
sono necessarie determinate condizioni affinché la pietra riesca a rimbalzare sull'acqua:
- la forza di lancio
- l'angolo della traiettoria
- la forma del ciottolo
- il movimento rotatorio
La forza di lancio deve essere la maggiore possibile, in quanto da essa dipende la velocità d'immersione, e
l'angolo della traiettorie deve essere molto piccolo
perchè in caso non lo fosse la forza peso del sasso prevarrebbe su quella di portanza dell'acqua.
La forma è essenziale, fin da piccoli incosciamente si scelgono i sassi piatti, perchè pietre piatte e grandi hanno una maggiore area di contatto con il liquido con
un conseguente aumento della forza d'appoggio.
La rotazione permette che la pietra mantenga una traiettoria il più possibile rettilinea (per effetto giroscopico) anche dopo gli urti con l'acqua, che imprimono
un moto angolare casuale, facendo sì che la pietra entri in contatto con il liquido sempre con la parte a sezione maggiore.
Come tutte le cose belle, anche i rimbalzi dei sassi sull'acqua durano poco e questo è dovuto alla dispersione di
energia ad ogni urto con l'acqua (stessa cosa che
accade con una biglia lasciata cadere sul pavimento, si osservano rimbalzi sempre più piccoli fino all'arresto);
il ciottolo perde velocità e di conseguenza diminuisce anche la forza d'appoggio, e quando quest'ultima diventa
minore della forza peso, la pietra affonda.
Anche se può sembrare un semplice gioco per bambini lo "stone skipping" ha alcune applicazioni interessanti
anche in ambito ingegneristico; ad esempio,
quando lo Space Shuttle rientra nella densa atmosfera terrestre rimbalza in modo simile ad un sasso sull'acqua.
