L'Effetto Kaye ed i fluidi newtoniani


"Non so fornire spiegazioni su questo fenomeno". Questo fu il lapidario commento dell'ingegnere britannico Arthur Kaye quando, nel 1963, notò che facendo colare un getto di shampoo su una superficie piana, per un breve momento (circa 300 millisecondi) dal liquido che si era già posato sul ripiano iniziava a schizzare un nuovo getto.

I primi studi del fenomeno

Quello che fu denominato "Effetto Kaye" era tuttavia altamente instabile, in quanto il getto fuoriuscente è di maggior spessore e di minor velocità di quello entrante- aumentava rapidamente d'inclinazione, fino a divenire verticale ed interferire con il getto originario.

[inline: 1= Immagine - 1 - L'Effetto Kaye, realizzato con un comune shampoo] Immagine - 1 - L'Effetto Kaye, realizzato con un comune shampoo. Lo spruzzo è dovuto alla peculiarità del fluido non-newtoniano

Da allora, il fenomeno è stato sottoposto all'attenzione di numerosi ricercatori; i vari studi hanno portato innanzitutto ad isolarne la veridicità per i soli fluidi non-newtoniani.

Questi fluidi sono piuttosto rari in natura, in quanto aria, acqua, e quasi tutti i tipi di olio sono newtoniani, vale a dire che la loro viscosità rimane costante al variare della velocità; al contrario, per un fluido non-newtoniano, la viscosità sarà diversa a seconda che il fluido sia in quiete o in moto.

L'esempio più comune di questa tipologia è lo shampoo: molto viscoso quando è in quiete, ma diventa più liquido (quindi diminuisce la sua viscosità) quando viene frizionato sui capelli.

[inline: 2= Immagine - 2 - Effetto Kaye "a cascata"] Immagine - 2 - Effetto Kaye "a cascata"

In seguito, si e scoperta anche la causa innescante l'Effetto Kaye: il getto in ingresso resta separato dalla pellicola di fluido sottostante tramite un sottilissimo strato di aria (dello spessore di pochi micron); le alte velocità di deformazione createsi all'interfaccia favoriscono una diminuzione di viscosità del fluido; le particelle poco viscose quindi scivolano via dal resto del fluido, creando lo spruzzo (Immagine - 1).

Nel frattempo, il getto in ingresso continua a cadere sempre sullo stesso punto, incrementando le dimensioni del grumo viscoso alla base; aumentando la lunghezza della zona di contatto (costituita dal grumo stesso), aumentano l'intensità del getto in uscita e la sua angolazione, finchè quest'ultimo non va ad interferire con il flusso entrante, interrompendo il fenomeno (in fondo a questa pagin a è disponibile il link al filmato dell'intero processo).

Le ricerche olandesi

Studi successivi condotti nel 2001 da un team di ricercatori olandesi dell'Università di Twente, guidato dal fisico Michel Versluis, hanno portato ad una stabilizzazione dell'Effetto Kaye, utilizzando come superficie d'impatto un piano inclinato su cui scorresse lo stesso fluido del getto d'ingresso.

[inline: 3= Immagine - 3 - Michel Versluis] Immagine - 3 - Michel Versluis ©utwente.nl

In questo modo, il flusso in uscita si dirige automaticamente verso la parte "in discesa" del piano inclinato, impattando una seconda volta sul sottile strato fluido; questo a sua volta genera un Effetto Kaye secondario e così via, creando una cascata il cui getto ha una portata via via decrescente (Immagine - 2).

La serie di rimbalzi risulta stabile, in quanto la potenza del getto in ingresso (che, per l'equilibrio, deve essere pari a quella in uscita) non viene più bilanciata solo da quella dell'unico getto uscente, ma da tanti contributi quanti sono i rami della cascata, con una sensibile diminuzione degli effetti dissipativi.

Le ultime ricerche all'università  del Texas

Tutto ciò è stato realizzato sempre basandosi su fluidi non-newtoniani, quasi completamente assenti in natura, quindi ottenibili prevalentemente in laboratorio; il mese scorso tuttavia al Centro sulle Dinamiche Non Lineari del Dipartimento di Fisica (Center for Nonlinear Dynamics and Department of Physics) dell'Università del Texas sono riusciti a rimuovere questa limitazione.

[inline: 4= Immagine - 4 - Esperimento realizzato all'Università  del Texas.] Immagine - 4 - Esperimento realizzato all'Università  del Texas, utilizzando un getto di olio di silicone che cola in un bagno del medesimo fluido, posto in moto circolare. ©utexas.edu

Utilizzando una vasca rotante, contenente un bagno di olio di silicone in movimento ed un getto dello stesso fluido, si è dimostrato che anche i fluidi newtoniani possono rimbalzare su una superficie della medesima composizione.

Il getto verticale entra nel bagno, restandone separato da un sottile strato di aria, viene trascinato dal moto circolare del bagno, per poi schizzare oltre la superficie (Immagine - 4). Il tutto ovviamente avviene solo in un determinato intervallo dei parametri controllati: velocità di rotazione del bagno e velocità, altezza e portata del getto.

L'operato dell'Università del Texas ha quindi in qualche modo allargato il fenomeno dell'Effetto Kaye anche ai fluidi newtoniani.

[inline: 5= Immagine - 5 - Matthew Thrasher] Immagine - 4 - Matthew Thrasher ©utexas.edu

Possibili Applicazioni

Le possibili applicazioni proposte sono molteplici, prima fra tutte quella riguardante il campo dei combustibili liquidi, argomento importante, fra le altre cose, in ambito motoristico; la frammentazione di un getto in una moltitudine di schizzi incontrollati (fenomeno visibile anche con la pioggia che cade su una pozzanghera) è sorgente di numerose preoccupazioni, quando si ha a che fare con liquidi infiammabili come i carburanti.

Il gruppo di ricerca statunitense, alla cui testa c'è Matthew Thrasher, considera la scoperta di poter controllare stabilmente un getto per prevenire o incentivare l'unione con il fluido circostante "un nuovo esempio di separazione stabile ed un nuovo esempio di flusso fluido con molteplici stati stabili".

Esperimento "casalingo"

Nella loro pubblicazione "The Bouncing Jet: A Newtonian Liquid Rebounding off a Free Surface", Thrasher ed il suo team propongono inoltre un facile esperimento casalingo, realizzabile con una teglia rotonda per dolci riempita di 4 cm di olio da cucina: sarà sufficiente imprimere al contenitore un moto rotatorio ad intervalli di circa 2 secondi, mentre si fa colare dell'altro olio da un'altezza di 3-6 cm, per constatare con esperienza diretta i risultati ottenuti ad Austin - Texas.

Sitografia:

flixxy.com - Fluid Dynamics - The Kaye Effect www.flixxy.com/fluid-dynamics-kaye-effect.htm

Kaye effect - From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Kaye_effect

University of Twente www.utwente.nl

Michel Versluis Personal Page - University of Twente http://stilton.tnw.utwente.nl/people/michel/index.htm

Texas University www.utexas.edu

Matthew Thrasher Web Page - Center for Nonlinear Dynamics http://chaos.utexas.edu/~thrasher/

Center for Non linear Dynamics - The Bouncing Jet - "A liquid stream bouncing off a moving liquid bath" http://chaos.utexas.edu/research/fluids/bouncing_jet.html

Nature.com www.nature.com

Bibliografia:

Thrasher, Jung, Kwong Pang, Piao Chuu, Swinney (2007). The Bouncing Jet: A Newtonian Liquid Rebounding off a Free Surface. Center for Nonlinear Dynamics and Department of Physics, University of Texas at Austin , TX .

Versluis, Blom, van der Meer, van der Weele, Lohse (2001). Leaping Shampoo and the Stable Kaye Effect. Physics of Fluids, Faculty of Science and Technology University of Twente, Netherlands.

Arthur Kaye, "A Bouncing Liquid Stream" Nature 197, 1001 - 1002 (09 March 1963).



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