Una scoperta ribalta la teoria della turbolenza dopo oltre 80 anni
La teoria della turbolenza, uno dei pilastri della fisica dei fluidi da oltre ottant’anni, potrebbe non essere così rigida come si è sempre pensato. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Pittsburgh, in collaborazione con colleghi dell’Università di Torino, ha dimostrato che la direzione del flusso di energia all’interno di un sistema turbolento può essere modificata, e persino invertita. Una scoperta che, se confermata su larga scala, potrebbe cambiare il modo in cui si affrontano problemi enormi: dalle correnti oceaniche alla modellazione del clima, fino ad applicazioni in campo medico.
Per capire la portata della cosa, bisogna fare un passo indietro. Dal 1941, grazie al lavoro di Andrey Kolmogorov, la comunità scientifica ha dato per assodato un principio fondamentale: nei flussi tridimensionali, come quelli che si osservano negli oceani o nell’atmosfera, l’energia si muove dalle strutture più grandi verso quelle più piccole. In pratica, i grandi vortici si frammentano in vortici via via più piccoli, fino a dissipare tutta la loro energia. Nei flussi bidimensionali, invece, accade il contrario. Questa regola ha guidato decenni di ricerca. E nessuno, fino a oggi, l’aveva messa seriamente in discussione.
Il meccanismo che cambia le regole del gioco
Il merito va a Lei Fang, professore di ingegneria civile e ambientale a Pittsburgh, insieme al dottorando Xinyu Si e ai ricercatori italiani Filippo De Lillo e Guido Boffetta. Fang ha riformulato il problema del flusso energetico turbolento in termini meccanici, basandosi sulle equazioni di Navier Stokes. L’intuizione chiave? Se il trasferimento di energia è un processo meccanico, allora può essere manipolato cambiando la geometria tra forza e spostamento.
Lo strumento matematico utilizzato sono i tensori, oggetti che descrivono grandezze come stress e deformazione nei fluidi. Fang ha sviluppato un framework geometrico basato sull’allineamento di questi tensori e ha scoperto che, in determinate condizioni, la direzione del trasferimento energetico può essere reindirizzata. Non è più un percorso obbligato. Per verificare la teoria, il team ha condotto esperimenti in laboratorio usando uno strato sottile d’acqua sottoposto a forze elettromagnetiche, con particelle traccianti per visualizzare il movimento del fluido. I risultati sperimentali hanno confermato le simulazioni al computer e le previsioni del nuovo modello.
Dalle onde del mare ai dispositivi medici
Le ricadute pratiche potrebbero essere notevoli. Fang ha spiegato che, attraverso questo framework teorico, è possibile usare piccole barriere fisiche, nell’ordine di una decina di metri, per perturbare le barriere di trasporto oceanico che si estendono per chilometri. Questo aprirebbe scenari interessanti per la gestione delle coste, ad esempio nel migliorare la dispersione di acque reflue o contaminanti.
Ma c’è un altro campo dove la teoria della turbolenza rivisitata potrebbe fare la differenza: la microfluidica. Nei canali più piccoli di un millimetro, la viscosità del liquido rende il mescolamento estremamente difficile perché la turbolenza è praticamente assente. Allineando forze e spostamento in modo specifico, si potrebbe generare una forma debole di turbolenza capace di accelerare il mescolamento di agenti chimici o biologici. Un vantaggio enorme per la diagnostica medica e la somministrazione di farmaci.
E poi c’è la questione climatica. Le correnti oceaniche e la circolazione atmosferica sono fondamentali nella regolazione delle temperature globali. Se i cambiamenti climatici alterano i pattern del vento e il comportamento degli oceani, comprendere come le forze in gioco modificano il flusso energetico turbolento potrebbe portare a modelli climatici decisamente più accurati. Per ora resta un’ipotesi, come lo stesso Fang ha precisato, ma le basi scientifiche ci sono. La teoria della turbolenza, insomma, si è dimostrata più flessibile di quanto chiunque avesse immaginato negli ultimi otto decenni.
