Transizione turbolenta
Francesco Luciani
In questo esperimento viene mostrata l’azione della pressione atmosferica su un cartoncino posto sull’orlo di una bottiglia. Capovolgendo la bottiglia si può notare come il cartoncino non cada dall’orlo. Tale fenomeno si può spiegare facendo un bilancio di pressioni: la pressione che agisce all’interno della bottiglia, data dal prodotto della densità per la gravità per l’altezza della colonna fluida (se riempita fino all’orlo sarà pari all’altezza della bottiglia stessa = 0,4m) risulta essere poco più di 3000 Pa; la pressione esterna esercitata dall’atmosfera è pari a 101300 Pa. Facendone il bilancio si vede subito che la pressione interna è molto minore rispetto a quella esterna, pertanto il cartoncino rimane attaccato.
In questo video si può osservare un fenomeno correlato al concetto di tensione superficiale.
Esso è possibile grazie all’utilizzo di un fluido composto da acqua, sapone e zucchero miscelati ad una temperatura di circa 40 °C. Aggiungendo all’acqua questi componenti si ha una riduzione della tensione superficiale (tensioattivo=sapone) e una maggiore durata dell’interfaccia (zucchero).
Possiamo fare delle considerazioni a seconda dei casi:
1) La configurazione del fluido è quella aspettata
2) Modificando l’estrazione della struttura, varia anche la configurazione assunta nel caso 1 poiché la forza molecolare tende a minimizzare sempre l’interfaccia tra due fluidi
3) Considerazioni analoghe a quelle del caso 2, ma con l’aggiunta del fatto che le pareti del cubo di fluido creatosi risultano bombate a causa della differenza di pressione tra l’interno e l’esterno del cubo fluido.
Il fluido tenderebbe a formare una bolla sferica ma è vincolato dalla struttura a doppia piramide
Il numero di Reynolds (Re) è definito come il rapporto tra le forze d’inerzia e le forze viscose che agiscono sul moto di una particella fluida: Re=(d V L)/μ dove d è la densità del fluido, V la velocità, L la lunghezza caratteristica, μ la viscosità del fluido. Un numero di Reynolds alto indica che le forze d’inerzia prevalgono sulle forze viscose, mentre un numero di Reynolds basso indica la prevalenza delle forze viscose sull’inerzia. Corpi geometricamente simili che si muovono in fluidi, anche diversi, sono dinamicamente simili se i loro numeri di Reynolds hanno lo stesso valore. Nelle esperienze effettuate si è calcolato il numero di Reynolds per una sfera di plastica in moto nell’acqua ed un seme di tarassaco in moto nell’aria. Come dimensione caratteristica si è assunto il diametro della sfera ed il diametro dell’ombrello del seme. Il calcolo del numero di Reynolds ha dato risultati molto simili (a meno di errori di misura): 147 per il seme di tarassaco e 166 per la sfera di plastica. I valori sono stati ottenuti come media di misurazioni ripetute (entrambi i corpi raggiungono in brevissimo tempo la velocità terminale). Sebbene la forma geometrica non sia esattamente simile (non si può parlare propriamente di similitudine dinamica in senso stretto, anche se si può assimilare la forma del seme ad una semisfera), il risultato ottenuto mostra come si possa predire la resistenza che il seme incontra nell’aria osservando la resistenza che la sfera di plastica incontra nell’acqua. Nonostante l’aria abbia una viscosità molto inferiore all’acqua, per un seme di tarassaco l’aria rappresenta un fluido molto viscoso. Corpi molto piccoli che si muovono a bassa velocità in un fluido hanno un moto di tipo viscoso, anche se il fluido ha una debole viscosità: quando si osservano le minuscole particelle di polvere che discendono lentamente nell’aria di una stanza illuminata da un raggio di sole, risulta evidente come, per queste particelle, l’aria rappresenti un fluido molto viscoso.