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.

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La frattura dei liquidi non era qualcosa che la scienza riteneva possibile. Eppure un gruppo di ricercatori della Drexel University ha dimostrato esattamente il contrario: sotto determinate condizioni di stress, anche un liquido semplice può spezzarsi di netto, proprio come farebbe un pezzo di metallo. Una scoperta pubblicata sulla rivista Physical Review Letters che ha colto di sorpresa persino chi l’ha fatta.

Il tutto è nato quasi per caso. Il team guidato da Thamires Lima e Nicolas Alvarez stava analizzando due liquidi semplici, simili al catrame, nell’ambito di una collaborazione con ExxonMobil. Durante un test di reologia estensionale, che serve a misurare la forza necessaria per far scorrere un fluido, è successo qualcosa di anomalo. Invece di assottigliarsi gradualmente come ci si aspetterebbe, i liquidi si sono spezzati all’improvviso, con un rumore secco e forte. Lima ha raccontato di essersi spaventata, pensando inizialmente che si fosse rotto lo strumento. E invece no: era il fluido che si era fratturato.

Con una telecamera ad alta velocità, i ricercatori hanno catturato un comportamento tipico dei materiali solidi. La cosiddetta frattura fragile, quel fenomeno per cui un materiale si allunga fino a raggiungere un punto critico e poi cede di colpo, era stata osservata per la prima volta in un liquido puro, non in un polimero o in una sostanza viscoelastica.

Il ruolo della viscosità: non serve l’elasticità per rompersi

Fino a oggi la comunità scientifica associava la frattura esclusivamente all’elasticità, cioè alla capacità di un materiale di accumulare e resistere allo stress meccanico. I liquidi semplici, per definizione, non accumulano stress: scorrono. Questo rendeva impensabile che potessero fratturarsi. Ma gli esperimenti della Drexel University hanno dimostrato che è la viscosità il fattore determinante. È la resistenza al flusso, non la capacità di immagazzinare energia, a rendere possibile questa rottura.

Per verificare l’ipotesi, il team ha testato un altro liquido semplice, lo stirene oligomero, con la stessa viscosità dei primi campioni. Anche questo si è spezzato nelle stesse condizioni, raggiungendo un punto critico di 2 megaPascal. Modificando la temperatura per variare la viscosità, i ricercatori hanno trovato ogni volta un tasso di stiramento specifico capace di innescare la frattura, sempre legato alla stessa soglia di stress critico. Quando la viscosità era troppo bassa, la strumentazione non riusciva a stirare il liquido abbastanza velocemente da provocare la rottura.

Un confronto tra lo stirene oligomero e un liquido polimerico correlato ha mostrato che entrambi si rompevano allo stesso punto critico. Questo suggerisce che il fenomeno non dipende dalla chimica specifica del materiale, ma potrebbe essere generalizzabile a una vasta gamma di liquidi, acqua e olio compresi.

Cosa significa per il futuro della meccanica dei fluidi

Le implicazioni sono enormi. Se davvero tutti i liquidi semplici possono fratturarsi sotto sufficiente stress, occorre ripensare modelli e applicazioni in ambiti come l’idraulica, la stampa 3D e persino lo studio del flusso sanguigno. Il team sta ora indagando le cause profonde del fenomeno. Una delle ipotesi più promettenti chiama in causa la cavitazione, quel processo in cui microscopiche bolle di vapore si formano e collassano rapidamente, generando onde d’urto all’interno del fluido.

Lima ha sottolineato come il prossimo passo sarà capire quanto sia diffuso questo comportamento e se possa essere sfruttato in processi industriali come la filatura delle fibre. Quello che è certo è che la frattura dei liquidi non è più un’ipotesi assurda. È un fatto sperimentale, documentato e ripetibile, che costringe la fisica dei fluidi a fare i conti con qualcosa di davvero inatteso.

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