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Dec 05, 2023

Per scoprire nuove leggi sul flusso dei fluidi, i ricercatori si rivolgono alle cannucce

23 marzo 2023 Questo articolo è stato rivisto in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità del contenuto:

23 marzo 2023

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dall'Università di New York

Un team di ricercatori ha scoperto nuove leggi che regolano il flusso dei fluidi attraverso esperimenti su una tecnologia vecchia di migliaia di anni: una cannuccia. Questa conoscenza potrebbe essere utile per migliorare la gestione dei fluidi nelle applicazioni mediche e ingegneristiche.

"Abbiamo scoperto che sorseggiare con una cannuccia sfida tutte le leggi precedentemente conosciute sulla resistenza o l'attrito del flusso attraverso un tubo", spiega Leif Ristroph, professore associato al Courant Institute of Mathematical Sciences della New York University e autore dello studio. , che appare nel Journal of Fluid Mechanics. "Questo ci ha motivato a cercare una nuova legge che potesse funzionare per qualsiasi tipo di fluido che si muove almeno attraverso un tubo di qualsiasi dimensione."

I flussi di liquidi e gas attraverso tubi, tubi e condotte si verificano in molte situazioni in natura e nell'industria, ad esempio con il flusso sanguigno e negli oleodotti.

"Il problema del flusso dei tubi è sempre stato uno dei più basilari e importanti nello studio della meccanica dei fluidi, e in molti modi il campo è stato sviluppato per affrontare questo problema", spiega Ristroph, direttore del Laboratorio di Matematica Applicata della New York University, dove si svolge la ricerca. era condotto.

Tuttavia, nel loro lavoro, Ristroph e i suoi colleghi hanno scoperto che tutte le leggi conosciute relative alla pressione e alla portata erano accurate solo in determinate condizioni.

Per giungere a questa conclusione, hanno condotto una serie di esperimenti: misurazioni della portata e della pressione per tubi metallici di diverse lunghezze e diametri utilizzando diversi tipi di liquidi. L'obiettivo era determinare in che modo questi fattori si relazionano alla resistenza all'attrito del flusso che attraversa il tubo.

"I nostri dati hanno dimostrato che le famose e classiche leggi sull'attrito del flusso sono accurate solo per alcune combinazioni di velocità del flusso e dimensioni dei tubi", spiega Ristroph. "Abbiamo mappato le condizioni in cui le leggi esistenti non funzionano bene, e ci siamo trovati un buon esempio proprio sotto i nostri occhi: bere con una cannuccia."

Si pensa che le cannucce fossero usate già 5.500 anni fa nella prima civiltà mesopotamica della Sumeria. Ma l'idrodinamica del loro funzionamento non era stata studiata in precedenza.

I ricercatori hanno ampliato il loro studio per includere diversi tipi di cannucce – un tipo sottile con agitatore per caffè, un tipo normale per soda e un tipo a bolle larghe per tè – e hanno eseguito esperimenti per determinare l’attrito per le velocità di flusso tipiche durante il consumo.

I dati relativi a cannucce e tubi di dimensioni simili non corrispondono a nessuna delle leggi conosciute, che prendono il nome dai loro scopritori, tra gli altri gli scienziati Evangelista Torricelli e Jean Léonard Marie Poiseuille.

I ricercatori hanno scoperto che ciascuna legge classica fallisce perché presuppone che il tubo sia molto corto o molto lungo e che il flusso sia molto lento o molto veloce. I casi intermedi, comprese le cannucce, coinvolgono fattori complicati come il modo in cui il flusso cambia lungo la lunghezza del tubo e se diventa liscio e laminare o ruvido e turbolento.

La modellazione di tali effetti ha permesso al team di derivare un’unica formula matematica e le sue previsioni corrispondevano alle misurazioni sperimentali per tutti i tubi e le cannucce e per tutti i fluidi e le velocità di flusso testati.

"Una formula universale potrebbe essere molto utile, ad esempio, per comprendere e modellare il flusso sanguigno nel sistema circolatorio", osserva Ristroph. "Le nostre vene, arterie e capillari sono fondamentalmente tubi con molti diametri, lunghezze e portate diversi."