Turbulence

Cos'è la turbolenza? Come si fa a vederla e a studiarla? Si tratta di un fenomeno fisico onnipresente nella nostra vita quotidiana. In questo laboratorio descriveremo cos’è la turbolenza per poi realizzare, tramite due bottiglie di acqua e del colorante alimentare, un "mescolatore di liquidi" per ammirare le volute che si formano quando due liquidi diversi si uniscono. Al termine, mediante un’app scopriremo come la turbolenza possa produrre immagini artistiche di grande bellezza.

PROCEDIMENTO

Per prima cosa riempiamo completamente tutte le bottiglie, due con acqua calda e due con acqua fredda. È molto importante riempire le bottiglie fino all’orlo, in modo tale che sulla superficie si venga a formare un menisco ovvero un rigonfiamento verso l'alto. A questo punto aggiungiamo del colorante alimentare nelle varie bottiglie in modo tale che quelle contenenti acqua calda siano colorate in un modo mentre quelle con acqua fredda in un altro. Già a questo punto possiamo notare come la diffusione del colorante sia diversa a seconda del tipo di bottiglia in cui viene inserito. Il colorante nelle bottiglie con acqua calda sembra più uniforme e quasi già mescolato, mentre in acqua fredda il colorante va verso il basso diffondendosi in maniera molto differente compiendo delle volute inosservabili all’interno delle prime bottiglie.

A questo punto le nostre bottiglie sono pronte per essere capovolte e unite in modo tale che una prima coppia sia composta da una bottiglia di acqua calda sopra una contenente acqua fredda, mentre la seconda coppia sarà il contrario, acqua fredda sopra acqua calda. Per compiere questa operazione di capovolgimento posizioniamo il pezzo di plastica sopra il collo della bottiglia da invertire e premiamo leggermente. Se premendo il pezzetto di plastica dovesse uscire un po’ di acqua non importa così come se dovesse uscire del liquido durante l’inversione. La cosa importante è che, a seguito dell’inversione, le due bottiglie siano ben allineate e che i colli delle bottiglie combacino. Ora, con l’aiuto di un compagno, togliamo con attenzione e delicatezza il pezzetto di plastica e osserviamo cosa sta succedendo.

Rimuovendo la plastica notiamo che nel set in cui l'acqua calda è in alto e quella fredda in basso rimane tutto più o meno invariato, con i colori che restano separati. Nell’altro set invece le cose cambiano profondamente. L'acqua calda sale mentre quella fredda scende, mescolando tra di loro i due colori e ottenendo così una colorazione omogenea data dall’unione dei due coloranti iniziali.

Quanto osservato fino ad ora è causato dalla differenza di densità, che è definita come la quantità di materia in un dato volume. Tutta la materia, comprese l’acqua calda e quella fredda con cui abbiamo lavorato, è fatta da molecole quelle calde hanno più energia e quindi si muovono più velocemente rispetto quelle più fredde. Questo fa si che in genere le cose calde occupino più spazio di quelle fredde e di conseguenza servono meno molecole di acqua calda per riempire una bottiglia rispetto alle molecole di acqua fredda. Pertanto possiamo dire che nella bottiglia di acqua calda c’è meno acqua che in quella fredda poiché l’acqua calda è meno densa di quella fredda. Come sappiamo la gravità può separare i fluidi in base alla densità, le cose più pesanti vanno sul fondo mentre quelle più leggere salgono verso l’alto, pertanto l’acqua fredda che è più densa, ovvero ha più molecole per unità di volume, scende verso il basso mentre quella calda che è meno densa è più leggera e quindi sale verso l’alto. Questo movimento dei fluidi che spinge la parte calda verso l’alto e quella fredda verso il basso è chiamato convezione.

Mediante questo semplice esperimento possiamo notare anche come i fluidi in questione si muovano in modo totalmente caotico. Infatti, se proviamo a rifare l’esperienza i moti tra i colori prima di mischiarsi saranno diversi da quelli che abbiamo appena visto. Questo tipo di moto si chiama moto turbolento ed è praticamente ovunque nella natura, dalle bottiglie d’acqua che si mescolano, al fumo, alle nuvole fino a sistemi più distanti e complessi del cosmo.

REALIZZA LE TUE TURBOLENZE

Per vedere più in dettaglio come si comporta un fluido turbolento possiamo utilizzare questa web app.

Grazie a questa app possiamo studiare non solo come la densità influisce sulla formazione delle volute all’interno dei fluidi, ma anche come gli altri paramenti fondamentali di un fluido, quali la pressione, la velocità, la densità ecc, possano influenzare il moto caotico di un fluido.

Più velocemente e a lungo “tiriamo” il fluido più i vortici si diversificano. Variando la velocità di diffusione (velocity diffusion) che indica la velocità in cui i due fluidi si mescolano e possiamo osservare come le volute durano di più nel tempo di meno se si formano più vicino o più lontano dal cursore. Infine possiamo variare la pressione (pressure), in questo caso la pressione agisce come una sorta di resistenza al moto, si tratta della stessa resistenza che proviamo, ad esempio, quando siamo su una barca e remiamo in avanti.