Le fibre che rivelano i segreti della turbolenza
La turbolenza è protagonista indiscussa della vita di tutti. Il sangue pompato nelle arterie, il flusso delle correnti oceaniche, lo sbuffo di aria umida derivante da uno starnuto o la combustione di carburante in un motore sono processi accomunati dalla presenza di un fluido in moto caotico, ossia turbolento.
Turbolenza e dispersione
I flussi turbolenti sono composti da un complesso sistema di vortici di varia scala che, interagendo tra loro, tendono a disperdere rapidamente le sostanze disciolte nel fluido. Tale natura dispersiva della turbolenza è di fatto un’arma a doppio taglio: mentre la turbolenza dei venti atmosferici favorisce la diluizione di fumi inquinanti diminuendone la concentrazione locale e riducendone la pericolosità, nel caso una petroliera subisca una perdita, è assolutamente necessario confinare il più presto possibile in una zona limitata l’olio sversato, poiché la dispersione dello stesso provocherebbe danni irreparabili all’ecosistema marino.
E’ quindi di cruciale importanza quantificare la capacità di un determinato flusso turbolento di disperdere sostanze disciolte nel fluido, in particolare nella prospettiva della salvaguardia ambientale.
Un paradosso sperimentale
Per quantificare la capacità dispersiva di un flusso turbolento, si effettuano misure sperimentali, in laboratorio o in campo, che prevedono il rilascio di coppie di piccole particelle (traccianti) in un dato flusso; la velocità con la quale queste coppie di particelle si separano l’una dall’altra è proporzionale alla capacità dispersiva del flusso turbolento in esame. In oceanografia, questa pratica si traduce nel rilasciare coppie di boe strumentate (drifters) a distanza ravvicinata seguendone le traiettorie nel tempo attraverso sistemi GPS.
I problemi nascono quando si vuole misurare la capacità dispersiva causata da vortici di una data dimensione. A questo scopo, sarebbe necessario osservare coppie di traccianti la cui distanza relativa coincida con la dimensione dei vortici di interesse. Tuttavia, la turbolenza derivante dalle correnti marine tende a separare irrimediabilmente le coppie di boe, sicché queste si trovano alla distanza di interesse solo per un tempo estremamente limitato. È quindi molto complicato e dispendioso effettuare una misura efficace della capacità dispersiva dei vortici di una certa dimensione a causa della dispersione stessa.
Ad oggi, la strada più seguita per aggirare questo problema, consiste nel rilasciare un gran numero di boe strumentate (o particelle traccianti, nelle misure di laboratorio), in modo tale da sopperire alla limitatezza del tempo di osservazione mediante un maggior numero di osservazioni simultanee. Concettualmente, tale approccio corrisponde al ripetere molte volte lo stesso esperimento. Purtroppo, questa strada risulta difficilmente praticabile poiché i drifters sono molto costosi e il loro recupero è dispendioso in termini di tempo.
Il moto delle fibre
Lo studio, condotto da Andrea Mazzino (ordinario di Fluidodinamica all’università degli studi di Genova) di concerto con il Politecnico Federale di Zurigo (ETHz), il Royal Institute of Technology di Stoccolma (KTH) e l’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), evidenzia come fibre di una certa lunghezza ruotino - in media - alla stessa frequenza dei vortici di pari dimensione. Questo risultato è stato ottenuto attraverso osservazioni sperimentali alla scala di laboratorio, rilasciando fibre polimeriche in un flusso turbolento e misurando la loro velocità di rotazione per mezzo di un sistema di telecamere ad alto frame rate e vista stereoscopica.
Tale osservazione sulla dinamica delle fibre in turbolenza ha portato allo sviluppo un metodo di misura alternativo, denominato Fiber Tracking Velocimetry che si basa sull’osservazione della velocità di rotazione di fibre di lunghezza fissata anziché sulla velocità relativa di coppie di particelle.
Un cambio di prospettiva nella fluidodinamica sperimentale
Questa scoperta porta a un vero e proprio cambio di paradigma in fluidodinamica sperimentale, in particolare nelle situazioni in cui la dispersione impedisce di ottenere misure affidabili. Questo accade soprattutto nei domini aperti, come l’atmosfera e l’oceano. Concretamente, connettendo con un cavo o un asta sommersa delle coppie di boe, queste si mantengono a una distanza costante, permettendo di misurare la velocità di rotazione dei vortici di dimensione pari alla lunghezza del cavo. Inoltre, ulteriori evidenze ottenute da alcuni degli autori per mezzo di simulazioni numeriche mostrano che, se il cavo è sufficientemente flessibile, le oscillazioni longitudinali del sistema permettono di misurare uno spettro di osservabili ancora più ampio di quello accessibile con un sistema rigido.
