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Ordinatamente controcorrente. Il grande effetto di una piccola inclinazione.

Il traffico dei veicoli segue da tempo  immemore delle regole codificate molto semplici, che hanno lo scopo di evitare le collisioni reciproche: i veicoli che si spostano in una direzione si muovono lungo una corsia comune,  parallela a quella dei veicoli che si spostano in direzione opposta.  Anche i pedoni che attraversano la strada si organizzano spontaneamente in corsie parallele, nonostante l’assenza di regole codificate.

confronto tra moto delle macchine in autostrada e moto delle colonne convettive nella cella

Appare ora un articolo su Physical Review Letters che mostra come le molecole inanimate che compongono due fluidi che scorrono in direzioni opposte si organizzino spontaneamente in corsie parallele.
Gli autori studiano con una tecnica ottica detta shadowgraph, il comportamento di una miscela fluida sotto stress termico e leggermente inclinata.

Più di 150 anni fa Soret ha mostrato che una differenza di temperatura all'interno di una miscela liquida produce una separazione che provoca a sua volta uno squilibrio di densità che si aggiunge a quello termico, dando luogo in molti casi a moti convettivi.
I fluidi convettivi si organizzano in strutture con geometrie interessanti (nel caso presentato nell’articolo, in un pattern di quadrati), per ottimizzare il flusso di massa. In precedenti lavori su fluidi semplici si era osservato che i pattern convettivi non subiscono cambiamenti se la cella contenente il fluido viene inclinata di un angolo inferiore a 10 gradi.
“In questo studio invece abbiamo osservato che anche inclinazioni piccole, di circa 1 grado, hanno un grande impatto sul riassetto globale del fluido, pur di aspettare un tempo sufficiente: le colonne convettive di liquido ascendenti e discendenti si comportano  come veicoli o pedoni" dice Fabrizio Croccolo, autore dello studio insieme a Frank Scheffold (entrambi del Dipartimento di Fisica dell'Università di Friburgo, in Svizzera) e ad Alberto Vailati del nostro Dipartimento.
“Le colonne verticali di liquido in movimento, lentamente si auto-organizzano e si muovono su percorsi paralleli notevolmente stabili, nonostante in questo caso sia completamente assente un comportamento intelligente delle molecole." Ci dice Alberto Vailati.
I video cui rimanda l’articolo (si veda il link allegato) mostrano le colonne che si muovono in direzioni opposte, in modo molto simile alle macchine che percorrono in corsie opposte una super-autostrada americana o alle simulazioni matematiche di pedoni che si muovono in direzioni opposte in un corridoio.
Nel sistema considerato, i movimenti sono determinati da differenze di temperatura e di composizione del liquido, parametri analoghi alle differenze di temperatura e di salinità che contribuiscono alla circolazione oceanica. I risultati di questo studio potrebbero perciò contribuire a modellizzare sperimentalmente alcuni aspetti della circolazione oceanica su larga scala.

Link all’articolo:http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i1/e014502

Per vedere un video: http://www.youtube.com/watch?v=ZOqaqQAOF3A

 

Per ulterior informazioni:
Prof. Alberto Vailati
Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano
Tel: +39 02 50317339
alberto.vailati@unimi.it

 

08 luglio 2013
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