Per chiunque abbia osservato le onde dell’oceano o l’acqua in rapido movimento, la turbolenza può sembrare puro caos. Correnti potenti si attorcigliano e si agitano, creando vortici che si dividono in vortici sempre più piccoli finché la loro energia non si esaurisce.
Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questo processo seguisse uno schema prevedibile. In ambienti tridimensionali come oceani e atmosfera, si pensava che l’energia si spostasse dalle strutture più grandi a quelle più piccole. Nuove ricerche suggeriscono che questa regola potrebbe non essere così fissa come si credeva in precedenza.
I ricercatori dell’Università di Pittsburgh, in collaborazione con colleghi dell’Università di Torino, hanno scoperto che è possibile modificare la direzione del flusso di energia nella turbolenza. I loro risultati, pubblicati sulla rivista Science Advances nell’articolo “Manipulation the direction of turbulent energy flux via tensor geometry in a two-dimensional flow”, potrebbero avere implicazioni per la medicina, la gestione delle zone costiere e la scienza del clima.
Mettere in discussione una teoria fondamentale della turbolenza
Il lavoro è stato condotto da Lei Fang, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale della Swanson School of Engineering dell’Università di Pittsburgh, insieme allo studente di dottorato Xinyu Si, a Filippo De Lillo e a Guido Boffetta.
“Fin dal 1941, con le ricerche di Andrey Kolmogorov, è stato possibile prevedere il flusso di energia. Nei flussi tridimensionali, come quelli che avvengono nei corpi idrici, l’energia si muove dalle scale più grandi a quelle più piccole. Nei flussi bidimensionali, che si verificano in sottili strati d’acqua, questo flusso è invertito, dalle dimensioni più piccole a quelle più grandi”, ha affermato Fang.
Per verificare se questo comportamento potesse essere modificato, Fang ha affrontato il problema da una prospettiva diversa.
“Per comprendere questo concetto astratto a diverse scale”, ha aggiunto Fang, “ho riformulato il processo di flusso di energia in un processo meccanico basato sulle equazioni di Navier-Stokes. E poiché si tratta di un processo meccanico, ho potuto provare a invertirlo modificando la geometria tra spostamento e forza.”
Il suo approccio si basava sui tensori, oggetti matematici comunemente usati per descrivere grandezze come lo stress e la deformazione. Queste proprietà giocano un ruolo fondamentale nella formazione della turbolenza.
Sviluppando una struttura geometrica basata sull’allineamento tensoriale, Fang ha scoperto che la direzione del trasferimento di energia dipende da come questi tensori interagiscono. In determinate condizioni, il flusso di energia può essere reindirizzato anziché seguire il percorso tradizionalmente previsto.
“Abbiamo dimostrato di poter produrre flussi turbolenti che presentano un flusso di energia sia diretto che inverso”, ha affermato Fang. “Il nostro modello si estende anche alla scala 3D.”
Gli esperimenti confermano la teoria
L’idea si basa su un precedente lavoro di Fang che dimostrava come minuscoli nuotatori possano perturbare potenti correnti oceaniche. Nel nuovo studio, ha spostato l’attenzione sul flusso di fondo stesso e su come interagisce con le forze esterne.
I ricercatori hanno scoperto che, quando queste forze si allineano in modi specifici, possono alterare il modo in cui l’energia si muove attraverso un sistema turbolento.
Per testare la teoria, Fang e Si hanno condotto esperimenti di laboratorio utilizzando un sottile strato d’acqua mosso da forze elettromagnetiche. Un campo magnetico orizzontale ha generato un flusso bidimensionale, mentre una serie di aste è stata utilizzata per perturbarlo. Particelle traccianti sospese in un sottile strato di elettrolita hanno permesso al team di visualizzare e misurare il movimento del fluido.
I risultati sperimentali corrispondevano alle simulazioni al computer e confermavano le previsioni del nuovo modello.
Applicazioni potenziali, dagli oceani alla medicina.
La capacità di influenzare il flusso di energia turbolenta potrebbe, in futuro, offrire vantaggi pratici in diversi campi.
“Attraverso questo quadro teorico, abbiamo scoperto che possiamo utilizzare piccoli confini fisici, fino a dieci metri, per perturbare le barriere al trasporto oceanico che si estendono per chilometri”, ha affermato Fang. “È possibile modificare la direzione del flusso di energia, il che può migliorare la dispersione delle acque reflue o di altri contaminanti lungo la costa.”
I risultati potrebbero rivelarsi utili anche in medicina, in particolare nei sistemi microfluidici dove i fluidi si muovono attraverso canali più piccoli di un millimetro. A quella scala, i liquidi tendono a mescolarsi male perché la turbolenza è in gran parte assente.
“Nei flussi microfluidici di dimensioni inferiori a un millimetro, dove la viscosità di un liquido rende difficile la miscelazione a causa della scarsa o assente turbolenza”, ha aggiunto Fang, “potremmo allineare le forze e lo spostamento per generare una debole ‘turbolenza a basso numero di Reynolds’, che potrebbe accelerare la miscelazione degli agenti.”
Implicazioni per la modellazione climatica
La ricerca potrebbe inoltre contribuire a futuri miglioramenti nelle simulazioni climatiche.
Le correnti oceaniche e la circolazione atmosferica svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione delle temperature globali. Poiché i cambiamenti climatici alterano i modelli dei venti e il comportamento degli oceani, le forze che agiscono su questi sistemi potrebbero influenzare anche il modo in cui l’energia si muove attraverso i flussi turbolenti.
“Sebbene al momento si tratti di un’ipotesi, la ricerca potrebbe migliorare la modellazione climatica”, ha affermato Fang. “Poiché il cambiamento climatico altera i modelli dei venti e le correnti oceaniche, lo stress del vento e le correnti potrebbero modificare la direzione del flusso di energia. Comprendere le forze che creano questo cambiamento può portare a modelli più accurati.”
Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, lo studio suggerisce che uno dei presupposti più consolidati della teoria della turbolenza potrebbe essere più flessibile di quanto gli scienziati credessero in passato. Invece di seguire semplicemente percorsi predeterminati, l’energia turbolenta potrebbe essere guidata e reindirizzata in determinate condizioni.
Abstract
Nei flussi turbolenti, il flusso di energia, pietra angolare della teoria della turbolenza, si riferisce al trasferimento di energia cinetica attraverso diverse scale di movimento. La direzione del flusso di energia netto è determinata dalla dimensionalità del sistema fluido: l’energia si propaga a scale più piccole nei flussi tridimensionali, ma a scale più grandi nei flussi bidimensionali (2D). Manipolare il flusso di energia è un compito arduo perché l’energia a qualsiasi scala non è localizzata nello spazio fisico. In questo lavoro, presentiamo un quadro teorico che consente di controllare la direzione del flusso di energia. Sulla base di questo quadro, abbiamo condotto esperimenti e simulazioni numeriche dirette, producendo una turbolenza 2D con flusso di energia in avanti, contrariamente alle aspettative classiche. Oltre alla teoria, discutiamo come il nostro quadro teorico possa avere profonde applicazioni e implicazioni nei sistemi naturali e ingegnerizzati su intervalli di scala di lunghezza da 10 −3 a 10 6 metri, tra cui una miscelazione migliorata dei dispositivi microfluidici, la turbolenza generata biologicamente, la rottura delle persistenti barriere al trasporto costiero e il bilancio energetico oceanico.
Materials provided by University of Pittsburgh. Note: Content may be edited for style and length.
Xinyu Si, Filippo De Lillo, Guido Boffetta, Lei Fang. Manipulating the direction of turbulent energy flux via tensor geometry in a two-dimensional flow. Science Advances, 2025; 11 (30) DOI: 10.1126/sciadv.adv0956
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