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Cavitazione

La cavitazione è un fenomeno in cui la pressione statica di un liquido si riduce al di sotto della pressione di vapore del liquido stesso, portando alla formazione di piccole cavità piene di vapore nel liquido. Queste cavità, chiamate “bolle” o “vuoti”, se sottoposte a pressioni più elevate, collassano e possono generare onde d’urto che possono danneggiare il materiale a contatto e di conseguenza membri di macchine. Queste onde d’urto sono forti quando sono molto vicine alla bolla implosa, ma si indeboliscono rapidamente quando si propagano lontano dall’implosione.

L’ebollizione di un liquido può aver luogo o per innalzamento della temperatura o, anche alla temperatura ambiente, per abbassamento della pressione. La condizione di incipiente ebollizione si raggiunge quando in seno alla massa liquida si verifica una pressione pari alla tensione di vapore. Quando “l’ebollizione” si manifesta nelle regioni di bassa pressione, che si producono per effetto dinamico in una corrente liquida, si parla di cavitazione. In linea teorica per creare e mantenere un embolo non è sufficiente l’equilibrio fra pressione e tensione di vapore in quanto le forze di tensione superficiale tendono a richiudere qualunque cavità che si trovi presente in seno al liquido ripristinando la continuità.

La presenza di nuclei gassosi pre-esistenti che interrompono la continuità del liquido agevola l’ebollizione (o la cavitazione). È norma prudenziale ritenere che la condizione limite, di incipiente cavitazione, si abbia quando in un punto qualsiasi del campo di moto si raggiunge una pressione pari alla somma della tensione di vapore e della pressione dei gas disciolti.

La cavitazione ha importanti conseguenze sia di natura fluidodinamica che meccanica. L’enorme aumento di volume specifico dovuto alla vaporizzazione (ad esempio di un fattore 104 ÷ 105) ha come conseguenza che il cambiamento di fase anche di una frazione minima di liquido perturbi radicalmente la fluidodinamica del sistema. Inoltre fluttuazioni di pressione sempre presenti in un flusso cavitante portano alternativamente alla formazione ed al ri-assorbimento degli emboli. In quest’ultima evenienza la diminuzione di diametro della bolla sino alla sua scomparsa avviene in prima approssimazione per stati di equilibrio caratterizzati da sovrapressioni interne anche estremamente elevate (teoricamente infinite nell’istante di sparizione dell’embolo).

Queste sovrapressioni, se si esplicano sulle superfici solide e in particolare nelle cavità microscopiche in esse presenti, sollecitano severamente il materiale provocando nel tempo fenomeni di erosione (sollecitazione a fatica). Tale erosione si manifesta preferenzialmente sulla pellicola protettiva, di durezza limitata, che ricopre il metallo, esponendo nuovo materiale che sarà così soggetto a corrosione. Complessivamente pertanto il fenomeno ha natura corrosivo/erosiva.

Se, in un qualche caso, un leggero grado di cavitazione potrà essere accettato, come norma generale la cavitazione deve essere evitata.