Gyles Lewis
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Nel XVI secolo, Leonardo da Vinci descrisse per primo un affascinante fenomeno che coinvolge l'acqua che in seguito divenne noto come il salto idraulico. E solo cinque secoli dopo, gli scienziati hanno finalmente spiegato perché accade.
Questo salto non è una proprietà oscura visibile solo agli scienziati. Devi solo entrare in cucina o fare la doccia per vederlo.
Se apri un rubinetto, nota cosa succede quando l'acqua colpisce la superficie del lavandino. Crea uno strato d'acqua circolare molto sottile, che scorre veloce, circondato da un anello di acqua turbolenta più spesso e concentrico. Un salto idraulico si riferisce al punto in cui l'acqua sale e forma lo strato più spesso. [Immagini: le equazioni più belle del mondo]
A partire dal 1819 con il matematico italiano Giorgio Bidone, molti ricercatori hanno cercato di spiegare cosa fa saltare l'acqua in questo modo. Ma tutte le spiegazioni e le equazioni fino ad oggi si sono basate sulla gravità come forza principale, ha detto l'autore principale Rajesh K.Bhagat, un dottorando presso il dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia presso l'Università di Cambridge in Inghilterra..
Tuttavia, Bhagat e il suo team hanno recentemente scoperto che la gravità non ha quasi nulla a che fare con questi salti idraulici. Piuttosto, le forze principali dietro di loro sono la tensione superficiale e la viscosità, hanno riferito nel loro studio, che è stato pubblicato online il 31 luglio sul Journal of Fluid Mechanics.
Per escludere la gravità, Bhagat e il suo team hanno eseguito un semplice esperimento. Colpiscono una superficie piana e orizzontale con un getto d'acqua per creare un semplice salto idraulico, lo stesso tipo che vedresti se aprissi l'acqua nel lavello della cucina. Ma poi, hanno inclinato questa superficie in vari modi: verticalmente, con un angolo di 45 gradi e orizzontalmente, in modo che alla fine il getto d'acqua colpisse una superficie che divenne un soffitto. Per catturare il salto iniziale, hanno registrato quello che è successo con le telecamere ad alta velocità.
In ogni caso, il salto idraulico è avvenuto nello stesso punto. In altre parole, lo strato interno sottile e in rapido movimento aveva le stesse dimensioni indipendentemente dall'orientamento in cui si trovava l'aereo. Se la gravità avesse causato i salti, l'acqua sarebbe stata "distorta", in uno qualsiasi dei piani oltre a quello orizzontale , Disse Bhagat. "Questo semplice esperimento dimostra che è tutt'altro che gravità."
La nuova teoria non è giù con la gravità
Per studiare le altre forze che avrebbero potuto essere in gioco, i ricercatori hanno variato la viscosità del flusso d'acqua - una misura di quanto può resistere al flusso - mescolandola con glicerolo, un tipo di alcol con una tensione superficiale simile a quella dell'acqua, ma è 1.000 volte più viscoso dell'acqua.
Hanno anche mantenuto la viscosità costante e ridotto la tensione superficiale - la forza attrattiva che tiene insieme le molecole liquide sulla superficie - mescolando un ingrediente comune nel detergente chiamato sodio dodecil benzene solfonato (SDBS). Infine, hanno variato sia la viscosità che la tensione superficiale mescolando acqua e propanolo, un altro tipo di alcol, in modo che la soluzione fosse il 25 percento più viscosa dell'acqua pura ma avesse una tensione superficiale tre volte più debole.
Ciò ha permesso ai ricercatori di isolare l'influenza di ciascuna forza, ha detto l'autore senior Ian Wilson, professore di solidi morbidi e superfici, anche lui presso l'Università di Cambridge. .
Il punto è essere "in grado di prevedere dove inizia questa transizione tra un film sottile e uno spesso", ha detto Wilson. Molte delle teorie precedenti non potevano farlo, perché la posizione del salto idraulico cambia quando lo strato spesso colpisce una sorta di bordo, come il bordo del lavandino.
Il salto si verifica nel punto in cui le forze della tensione superficiale e della viscosità si sommano e bilanciano lo slancio del getto di liquido, hanno scoperto gli autori.
Sapere dove si verifica per la prima volta questo salto potrebbe avere applicazioni nell'industria, ha detto Wilson. Lo strato sottile che si forma prima del salto trasporta molta più forza rispetto allo strato più spesso, rendendo così l'area più sottile più efficiente nel trasferire il calore.
Getti d'acqua ad alta velocità sono utilizzati in applicazioni industriali, come la pulizia nella lavorazione del latte e il raffreddamento delle pale delle turbine degli aerei o dei semiconduttori di silicio, ha detto Bhagat. Spesso in queste applicazioni, i getti d'acqua intermittenti sono più efficienti, ha detto Wilson. Per migliorare l'efficienza di questi getti intermittenti, è necessario essere in grado di prevedere dove si verificano i salti idraulici iniziali, ha detto.
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