Turbulenza

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La turbolenza, termine scientifico per descrivere certi moti complessi e imprevedibili di un fluido, fa parte della nostra esperienza quotidiana e lo è da molto tempo. Non c’è bisogno di un telescopio o di un microscopio per contemplare le volute di fumo di una sigaretta, gli eleganti arabeschi della panna versata nel caffè e i gorghi vigorosi di un torrente di montagna. In un aeroplano a volte sperimentiamo esplosioni di “turbolenze di aria chiara”.

L’ultrasonografia può rivelare un flusso sanguigno turbolento nelle nostre arterie; le immagini satellitari possono mostrare turbolenze meteorologiche; le simulazioni al computer rivelano fluttuazioni turbolente della massa nell’Universo su scale di decine di megaparsec. Senza turbolenza, l’inquinamento urbano si attarderebbe per secoli, il calore prodotto dalle reazioni nucleari all’interno delle stelle non potrebbe sfuggire su una scala temporale accettabile e i fenomeni meteorologici sarebbero prevedibili quasi per sempre.

In realtà la parola “turbolenza” (latino: turbulentia) si riferisce originariamente al movimento disordinato di una folla (turba). Nel Medioevo era spesso usata per significare solo “guai”, parola che ne deriva. Anche oggi “turbolento” può riferirsi al comportamento sociale o personale. Il suo uso scientifico si riferisce al movimento irregolare e apparentemente casuale di un fluido. Questa definizione, tutt’altro che esaustiva, cerca di esprimere in modo sintetico uno dei fenomeni più complessi e affascinanti delle scienze naturali, dall’antichità ai giorni nostri.

I primi accenni a questa teoria li troviamo quando Lucrezio descrisse il moto dei vortici nel suo De rerum natura. Successivamente, Leonardo fu probabilmente il primo ad usare la parola turbolenza con il suo significato moderno e ad osservare il lento decadimento dei vortici che si formavano dietro i pilastri di un ponte. Successivamente, Euler scrisse le equazioni del flusso incomprimibile ideale o inviscido (zero-viscosità) sia in due che in tre dimensioni e si rese conto dell’importanza della vorticità. Anni dopo Navier generalizzò queste equazioni per includere la viscosità. A causa dell’ulteriore lavoro di Stokes, le equazioni sono note come equazione di Navier-Stokes.

In fluidodinamica, la turbolenza o flusso turbolento è un regime di flusso fluido caratterizzato da cambiamenti di proprietà caotici e stocastici. Ciò include la diffusione a bassa quantità di moto, la convezione ad alta quantità di moto e la rapida variazione di pressione e velocità nello spazio e nel tempo. Un flusso che non è turbolento è chiamato flusso laminare. Il numero di Reynolds (adimensionale) caratterizza se le condizioni di flusso portano ad un flusso laminare o turbolento.

Il flusso di acqua su un semplice oggetto liscio, come una sfera, lo illustra. A velocità molto basse il flusso è laminare; cioè, il flusso è liscio (anche se può coinvolgere vortici su larga scala). Man mano che la velocità aumenta, ad un certo punto, si passa al flusso turbolento (“caotico”). Nel flusso turbolento, i vortici instabili appaiono su molte scale e interagiscono tra loro. La resistenza dovuta all’attrito cutaneo dello strato limite aumenta.

La struttura e la posizione della separazione dello strato limite spesso cambiano, a volte risultando in una riduzione della resistenza complessiva. Poiché la transizione laminare-turbolenta è governata dal numero di Reynolds, la stessa transizione si verifica se la dimensione dell’oggetto è gradualmente aumentata, o se la viscosità del fluido è diminuita, o se la densità del fluido è aumentata.

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