L’effetto Venturi, scoperto dal fisico Giovanni Battista Venturi, mette in relazione la velocità e la pressione di un fluido che scorre all’interno di un condotto: si osserva che la pressione diminuisce con l’aumentare della velocità. La trattazione nasce dal teorema di Bernoulli, espresso mediante la relazione matematica:
p+1/2 ρv^2+ρgz=C
Restringendo i casi, adottando un condotto orizzontale, si nota che per un fluido incomprimibile (a densità costante), se la velocità aumenta allora la pressione diminuisce, in modo che la somma rimanga costante. Nella foto è rappresentato il flusso in uscita da un ugello, assimilabile ad un ugello convergente: dal momento che la portata rimane costante tra la porzione di entrata e quella di uscita, la velocità aumenterà. Si nota che la pressione in entrata è maggiore in quanto il fluido viene pompato dal fondo del nebulizzatore attraverso un grilletto e convogliato nell’ugello mediante un tubo in gomma. La pressione a valle sarà inevitabilmente minore per il teorema di Bernoulli e l’effetto Venturi. Un liquido con viscosità superiore a quella dell’acqua richiede più energia per essere espulso dall’ugello e quindi la velocità in uscita da esso sarà minore rispetto a quella dell’acqua. Infatti ponendo la trattazione in regime turbolento, per numeri di Reynolds molto alti, si nota un aumento notevole di portata quando si spruzzano liquidi a viscosità superiore a quella dell’acqua.
Nell’esperimento è stato utilizzato un comune nebulizzatore di acqua, uno schermo nero per risaltare il getto uscente e dei convogliatori di luci. Le foto sono state scattate con una fotocamera mirrorless Sony α5100 utilizzando i seguenti parametri: f 4.5 iso 20000 1/2000 26 mm.
Impatto
Fabio Damonte
Impatto di un oggetto sferico in acqua.
Perdite di carico concentrate
Giorgio Diacobe
Diffusione a colori
Giacomo Pavese
Nel video viene mostrata la precipitazione di un colorante a base d'acqua (Colorante alimentare + Acqua), inizialmente mischiato in maniera più omogenea possibile con olio di oliva. All'inizio dell'esperimento ciò che si osserva é l'iniziale separazione dell'olio colorato con l'acqua. Una volta passato un tempo sufficientemente lungo (circa 2-5 minuti) dipendente principalmente dalla densità del colorante (Rapporto colorante alimentare/Acqua), si può iniziare a notare lo "scoppio" delle prime bolle, venutesi a creare durante il mescolamento colorante + olio precedentemente effettuato. Le bolle liberano il colorante il quale precipita nell'acqua a causa della sua maggiore densità. Trascorsa circa 1 ora e mezza, lasciando il bicchiere in totale quiete, si può notare oltretutto il depositarsi del colorante sul fondo lasciando in netta distinzione 3 strati: Olio, Acqua e Colorante . La formazione dei 3 strati avviene a causa della diversa densità dei fluidi, il tempo impiegato per la formazione dello strato sottostante dipende principalmente dalla simile densità del colorante con l'acqua. Le bolle di colorante presenti nell'olio all'inizio "esplodono" più velocemente tanto più é spesso lo strato d'olio sovrastante il quale esercita una pressione su di esse. Il video é stato velocizzato di 1000x in alcune parti per rendere il fenomeno più evidente poichè il totale delle riprese per i due colori utilizzati supera i 15 minuti.
La portanza
Federico Cerulli
Il fenomeno analizzato nel video é la scia che spesso si forma sulle ali dell'aereo in fase di decollo e atterraggio.
In molti pensano che tale evento sia riconducibile a un rilascio di carburante o qualche altro evento di carattere complottistico, ovviamente la spiegazione vera di tale fenomeno risiede nella fisica e chimica che permettono ad un'aeromobile di volare.
La principale forza che permette ad un aereo di restare in volo correlata alla velocità é la portanza.
Analizzando una superficie alare riscontriamo che la parte superiore é caratterizzata da una pressione inferiore rispetto a quella sottostante, tale differenza di pressione é ancor più accentuata nel caso in cui l'angolo d'incidenza é grande.
In atterraggio e decollo dove le velocità sono più basse necessitiamo di più portanza per mantenere il volo, perciò tale angolo (tra corda alare e direzione flusso) dovrà essere accentuato.
La seconda relazione che ci permette di spiegare il fenomeno é di carattere chimico;
l'aria atmosferica é composta da vapore, l'azione d'incremento dell'angolo d'incidenza porta, come sopra specificato, una diminuzione marcata di pressione; i gas presenti nell'aria, conseguentemente alla diminuzione di pressione, si raffreddano, raffreddandosi contengono meno umidità che una massa d'aria generica.
La diminuzione di temperatura legata alla depressione del profilo alare porta ad un processo di condensazione e al fenomeno visibile nel video.
La diminuzione di pressione è proporzionale all'aumento dell'angolo di incidenza.
Tensione superficiale e bagnabilità
Alberto Boddi
Moto laminare e turbolento
Jeyco Ficol Tupacyupanqui
Instabilità di Kelvin-Helmholtz
Paolo Rizzo
L'aerodinamica di una pappagallina
Virginia Bologna
La protagonista del video è Finny, una pappagalla appartenente alla specie degli Agapornis Roseicollis, volatili conosciuti maggiormente come pappagalli inseparabili dal collo rosa, e che come si è può vedere, vive nel salotto di casa mia. Il video è suddiviso in quattro sezioni, per distinguere quattro argomenti inerenti al corso di meccanica dei fluidi.
Profilo alare:
La coda e le ali, grazie al fitto piumaggio, composto da piume e penne, hanno la funzione principale di sostegno aerodinamico e di controllo e di regolazione del volo. Mentre la coda è maggiormente utilizzata per controllare la direzione del volo, le ali garantiscono leggerezza e al contempo, grazie alla vasta superficie che coprono, un'adeguata portanza, che deve opporsi e superare la forza peso del volatile. La portanza deriva dal fatto che i flussi d'aria che avvolgono l'ala sopra e sotto, creano una differenza di pressione (maggiore sotto l’ala) che spinge il volatile verso l'alto. Un’altra caratteristica interessante dei volatili, anche se si nota di più nelle rondini e nei rondoni, durante le loro lunghe planate, riguarda invece il fenomeno del vortice di fondo ala. Infatti, a causa dell’aderenza dell’aria alle ali, si generano flussi d’aria che si muovono dal ventre al dorso del pappagallo, creando vortici d’estremità d’ala. Questi vortici vengono oggi risolti in aerodinamica con i winglets, mentre invece il profilo alare dei volatili presenta piume di fondo ala capaci di flettersi verso l’alto.
Volo:
In volo, la spinta della pappagalla è invece contrapposta alla resistenza aerodinamica, che quindi si oppone al movimento del corpo nel fluido (cioè l’aria). La resistenza incontrata dalla pappagalla è dovuta principalmente alla velocità e alla geometria del corpo, che non solo identifica il coefficiente di resistenza, ma anche la superficie su cui l’aria impatta durante il moto (per esempio orizzontale) della pappagalla. Nel video possiamo distinguere tre tipi di volo:
--- nel moto dall’alto verso il basso, la pappagalla si lancia con le ali chiuse per offrire una superficie minore all’impatto con l’aria e perciò ridurre la resistenza. Le aprirà dunque nel momento in cui dovrà gestire il volo, diminuendo la sua velocità;
--- nel moto dal basso verso l’alto, è necessaria tutta l’apertura alare, per generare una portanza tale da permettere il volo;
--- nel moto orizzontale, la pappagalla, mantenendo una corretta apertura alare, fende l’aria, tenendosi pressochè alla stessa quota.
L’angolo di attacco, altra caratteristica fondamentale per descrivere il moto di un volatile così come di un aeroplano, è circa nullo, proprio per definire una portanza circa uguale alla forza peso; è anche interessante notare come l’angolo di attacco sia invece elevato nel momento in cui la pappagalla si sta per fermare, per esempio sul bastoncino: questo le permette di ridurre drasticamente la portanza e conseguentemente di scendere velocemente di quota, di modo tale che una volta posizionatasi in volo sopra l’appoggio, possa praticamente lasciarsi andare e fermarcisi sopra.
Movimento di masse d’aria:
Visto che è difficile far vedere gli spostamenti d’aria, dovuti alla forza che la pappagalla genera con le ali, sebbene un pezzo di video mostri una situazione molto simile realizzata con un diffusore d’aromi per ambiente, avvolto da un cartoncino nero, per mettere in evidenza il flusso, si è preferito far vedere lo spostamento della massa d’aria in modo indiretto, cioè facendo vedere come il moto della pappagalla possa far muovere le foglie di una pianta o spazzare via tanti pezzettini di carta.
Movimento di gocce d’acqua:
Scrollandosi di dosso le goccioline d’acqua, dopo essersi fatta il bagnetto, queste si allontanano dal corpo della pappagalla inizialmente con una velocità tangenziale, dovuta al movimento del corpo, che sembra creare una spirale di goccioline d’acqua attorno a lei, e ricadono con un moto parabolico nella zona circostante.
Linee di fumo
Simone Castello
Il tornado di fuoco
Matteo Manzoni
La pressione idrostatica
Luciano Accorsini
Bolle d'acqua in olio
Davide Dell'Orletta
Distacco di vortici
Andrea Carlucci
Instabilità di Kelvin-Helmholtz
Matteo Russo
L'effetto Venturi
Riccardo Fossati
Tensione superficiale
Fabrizio Barpi
Instabilità di Kelvin-Helmholtz
Martina Cassaro
Chaos in un film di sapone
Riccardo Penco
Vortici nel caffè
Francesco Sclifò
Fontane di cioccolato
Federico Nannetti
Vortici e tensione superficiale
Francesco Cucinella
Densità e tensione di superficie
Roberto Carbone
OBIETTIVO: Verificare che la tensione superficiale tenda a minimizzare la superficie di contatto fra i due fluidi.
DEFINIZIONE:
La tensione superficiale è definibile nel modo più elementare dal punto di vista meccanico come la forza, per unità lineare, che tiene uniti i lembi di un ipotetico taglio praticato perpendicolarmente alla superficie libera del fluido.
MATERIALI E ATTREZZATURE:
• Bicchiere
• Olio vegetale
• Colorante alimentare liquido
• Pipette
• Agitatore
• Acqua (opzionale)
PREPARAZIONE:
Versare l’olio in un bicchiere e, successivamente, aggiungere al sistema delle gocce di diverse dimensioni, usando la pipetta.
DESCRIZIONE:
Poiché l’olio vegetale è una sostanza idrofoba, non si miscelerà con il colorante (idrofilo).
Aggiungendo il colorante mediante una pipetta, riusciamo a controllare le dimensioni della massa fluida che immettiamo nel sistema. Poiché il colorante è più denso dell’olio, esso tende, per gravità a scendere verso il basso, secondo la relazione (a meno di attriti):
(rho_olio-rho_colorante)*V*g=ma
dove:
-- rho_olio,rho_colorante: densità rispettivamente di olio e colorante
-- V: volume
-- g: accelerazione di gravità
-- m: massa del colorante
-- a: accelerazione del colorante
CONCLUSIONI:
Si nota come il colorante tenda naturalmente a disporsi in aggregati di forma sferica.
Controllando in maniera qualitativa la quantità di colorante in ingresso nel sistema ( variando la dimensione delle “goccioline”) si può dire che la forma dell’aggregato non dipende dalla massa dello stesso.
Si può dimostrare che, a parità di volume, la sfera è il solido con la minore superficie laterale.
Nelle condizioni in cui è stata svolta l’esperienza il colorante è incomprimibile (ha quindi densità costante) perciò si può dire che (poiché vi è proporzionalità fra massa e volume), a parità di massa di colorante, la tensione superficiale tende a minimizzare la superficie di contatto fra i due fluidi.
Sopraffusione dell'acqua
Giacomo Benedetti
Getti caldi turbolenti
Davide Corsano
Antibolle
Emma Bianchi
Effetti della tensione di superficie: l'acqua in antigravità
Andrea Campodoni
Ipotizziamo di avere una bottiglia da 0.5 l piena d’acqua e di fare un bilancio di forze sul volume di controllo contenente il liquido all’interno della bottiglia. Macroscopicamente, le uniche forze agenti sul C.V. sono la p atmosferica x A (il cerchio di diametro pari alla larghezza del collo di bottiglia, circa 2 cm) e il peso del liquido stesso. Se mettessimo la bottiglia capovolta a testa in giù, sotto queste ipotesi, la forza dovuta alla pressione atmosferica (31.83 N circa verso l’alto) dovrebbe vincere la forza peso (4.9 N circa verso il basso) e quindi non permettere al liquido di cadere.
Questo ovviamente non avviene perché le forze di coesione dell’acqua non riescono a vincere le forze d’inerzia per superfici grandi come A e quindi questo tipo di bilancio di forze non funziona.
Se però la superficie da cui l’acqua dovrebbe fuoriuscire viene ridotta di molto (nel caso dell’esperimento, diametro ridotto a circa 3 mm), le forze di coesione risultano significative e causano una tensione superficiale all’interfaccia non trascurabile che si oppone alla forza peso abbastanza da non permettere all’acqua di fuoriuscire dalla nuova superficie. Questo fenomeno più sono piccole le dimensioni in gioco, più è evidente tramite l’osservazione del menisco all’interfaccia.
In particolare, la differenza di pressione subito prima e subito dopo lo strato superficiale è evidenziata dalla relazione di Laplace, in cui la componente di pressione, relativa alla tensione superficiale, è inversamente proporzionale al raggio di curvatura del menisco; perciò, più è piccolo il raggio di curvatura, maggiore è questa differenza di pressione.
Nel video si osserva come per una boccetta di vetro, con diametro e volume d’acqua al suo interno minori rispetto a quelli della bottiglia, la tensione superficiale è più rilevante (infatti il menisco all’interfaccia della boccetta ha una curvatura maggiore rispetto a quello che si sviluppa nel caso della bottiglia, quasi piatto). Da notare come nel caso della bottiglia nel video, un piccolo aumento di pressione interna alla bottiglia (dovuta ad esempio alla stretta della mano) provochi la rottura di questo equilibrio e permetta la fuoriuscita di gocce d’acqua.
Marmorizzazione
Gabriele Pirisi
La marmorizzazione è una tecnica di decorazione cromatica su carta il cui scopo è emulare l'effetto del marmo.
Occorrente:
-Colori a Olio (esempio, colori primari: rosso giallo blu
- un catino
- Acquaragia (o trementina)
-un pennello o una bacchetta.
Procedimento.
Diluire i colori con l'acquaragia e riempire il catino con l'acqua.
Dopo aver preparato i colori versarli nel catino.
Grazie all'insolubilita dei colori nell'acqua e alla loro minor densità questi tenderanno ad andare in superficie e a miscelarsi tra di loro.
A questo punto si può utilizzare la bacchetta per creare effetti particolari a piacere.
Infine prendere il foglio adeguatamente ruvido e poroso. Adagiarlo sulla superficie e sollevarlo non appena questo mostra i segni dell'acqua che vi penetra. Il risultato è un "unicum" in quanto non è possibile ricreare una copia esatta.
Questo tipo di tecnica sfrutta le diverse densità e l'insolubilita.
La densità è il rapporto tra massa e volume. L'olio ha una densità minore rispetto all'acqua e per questo tenderà a salire in superficie. Per l'acqua è circa 997 kg/m3,
mentre l'olio ha densità di circa 880 kg/m3. Andando ad agire sulla densità, diluendo il colore con l'acquaragia (circa 750 kg/m3), è possibile ottenere effetti di colore più o meno intensi.
Moto laminare e turbolento attorno al corpo di Rankine
Gianmarco Calabrese
Nel mio piccolo progetto ho cercato di riprodurre il moto dell’aria attorno ad un cilindro ellittico.
Ho utilizzato 5 tubicini in plastica dal diametro di 3mm affiancati uno all’altro e spingendo un una miscela di aria e glicerolo vaporizzato si generano 5 getti che si muovono con buona approssimazione alla stessa velocità.
Il fluido utilizzato è aria con una parte di glicerolo vaporizzato che quindi crea una nube opaca grazie appunto alle particelle di glicerolo presenti nell’aria, facilmente visibile sia ad occhio nudo che con la telecamera. Per questo fluido sono riuscito in base a informazioni sulla concetrazione del glicerolo per metro cubo d’aria a calcolarmi la viscosità e la densità del fluido nelle condizioni di lavoro. La viscosità cinematica è risultata quindi pari a 7.68 x 10-5 m2/s.
Il video è stato poi analizzato utilizzando un programma chiamato Tracker e tramite calibrazione è stata misurata la velocità dei getti. La velocità media alla fine calcolata è stata di 0.32 m/s, la quale si può considerare uniforme con una deviazione standard dei valori trovati di 0.04, ovvero un errore casuale del 12.5%. Il moto di un gas può essere approssimato come incomprimibile se Ma minore di 0.3, quindi con un cambiamento di densità del 5%. Per l’aria a temperatura ambiente questo limite è approssimativamente 100 m/s. Quindi le considerazioni fatte sulla base delle equazioni da noi studiate sono valide.
Per l’accendino utilizzando come lunghezza caratteristica l’asse maggiore risulta che Re=90 circa. Essendo Reynolds relativamente basso si può confermare come già si notava ad occhio nudo che il moto è laminare. Ipotizzando che la velocità trovata nel moto esterno sia la stessa del fluido che attraversa i tubicini il valore di Re per il moto interno ai tubi vale 12.4 circa. Questo valore è estramamente basso per il moto all’interno di un tubo, questo significa che trascurando gli effetti di capillarità potevo aumentare notevolmente la velocità del fluido mantenendo il moto laminare. Però essendo che i getti venivano sparati in aria esterna stagnante si sarebbe creato uno strato limite dovuto agli sforzi tangenziali tra aria esterna e getto che avrebbe portato, come ho potuto osservare cercando di aumentare la velocità, ad una transizione quasi istantanea da laminare a turbolento.
Secondo la teoria potenziale, che però non tiene conto dello strato limite, il moto osservato, modelizzabile come un ovale di Rankine, non causerebbe forze resistenti sul corpo, in quanto le linee di corrente rimangono attaccate alla parete e ricongiungendosi a valle annullano il gradiente di pressione. Nella realtà come si può ben notare nelle immagini ciò non succede, quindi si crea una zona a monte di alta pressione poiché a contatto con la parete il fluido subisce un brusco rallentamento (equazione di Bernoulli), mentre a valle la pressione non viene ristabilità in quanto nonostante il fluido tenda a seguire la curvatura del corpo (effetto Coanda) ad un certo punto avviene il distacco della vena fluida e si crea una zona di bassa pressione dove il moto è inverso. Si creano vortici e il moto a causa di questi vortici diventa turbolento.
Nel filmato si può osservare una zona dove avviene il distacco della vena fluida; il fluido cerca di seguire la curvatura della parete, ma nonostante la velocità sia bassa, non riesce e pertanto avviene il distacco dello strato limite. Ciò causa una zona di bassa pressione e una scia nella quale il moto è vorticoso poiché il fluido è spinto da zone di alta pressione verso zone di bassa pressione, come appunto la regione di distacco.
Si nota che le linee tendono poi a riavvicinarsi. Il filmato evidenzia che la linea di fumo inferiore viene incurvata verso l’interno poiché trascinata dal gradiente di pressione lungo la parete. Poiché il fluido è spinto a seguire una traiettoria curvilinea intorno all’oggetto la sua velocità aumenta ed infatti queste sono zone di bassa pressione.
E’ interessante notare come i flussi, distaccati dalla parete, tendano poi, superata la zona di scia, a riavvicinarsi. Per la regione di scia a valle del corpo si nota che i gradienti di velocità sono relativamente elevati e quindi oltre che nello strato limite anche qua i termini viscosi non si possono trascurare.
La deviazione del flusso verso il basso come si vede nel filmato fa sì che si crei una forza sull’oggetto nel verso opposto, sempre per l’effetto Coanda. Questo viene sfruttato negli aerei grazie alla curvatura dei profili alari. Nelle stesse immagini si può notare inoltre che il distacco avviene quasi in prossimita del punto più estremo della coda. Ciò è possibile perché in questo frangente il fluido aveva una velocità maggiore, quindi maggiore energia cinetica, ed il distacco è avvenuto più tardi. I profili alari sono disegnati in modo tale che il distacco avvenga tardi, quindi diminuendo la resistenza dovuta ai gradienti di pressione.
A tempi successivi si nota invece un ulteriore moto, sovrapposto a quello tipico dell’ovale di Rankine. Sembra un anello generato da vortici di fluido che si muovono dal basso verso l’alto. Da questo anello poi come si vede nel video si creano vortici di dimensioni diverse che diventano sempre più piccoli man mano che si allontanano dalla parete, questo fenomeno universale è detto cascata di energia.
Ho potuto osservare inoltre che il fluido si muoveva lungo le pareti dell’accendino anche in direzione ortogonale all’immagine sia lungo la faccia diciamo frontale, dove la pressione è massima, che lungo le pareti superiore ed inferiore del corpo. Questo fenomento può essere, come avviene in maniera simile lungo le ali degli aeroplani, causato dalla differenza di pressione tra i punti intorno all’ovale e le estremità dell’accendino. Il fluido tende a spostarsi lungo l’altezza del corpo cilindrico ellittico verso zone dove la pressione è più bassa.
Inoltre se si osserva il video si può notare che specialmente in un dato intervallo di tempo le linee superiori creano un vortice insieme al flusso che ruota intorno ad un asse normale al moto. In questo caso si vede come alcune linee di fumo percorrano una traiettoria più lunga e siano maggiormente incurvate rispetto ad altre; secondo Bernulli la pressione dovrebbe essere inferiore sopra e superiore sotto come succede per le ali di un aereo.
Questi gradienti creano un moto lungo le pareti in direzione normale all’immagine e questi moti uniti al moto uniforme da sinistra a destra danno origine a vortici che partono principalmente dalla cima dell’accendino dove si staccano lasciando una scia che può permanere anche per lunghe distanze come nel caso dell’ala di un aereo. Questo dissipa molta energia a causa della resistenza indotta. Si può notare come lcune linee di fumo non siano quasi per nulla influenzate dal moto delle altre, infatti nonostante un assottigliamento ed una leggera incurvatura percorrono il loro moto restando quasi imperturbate e in regime laminare.
