Turbolenza: uno dei grandi misteri irrisolti della fisica - Tomàs Chor

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Sei su un aereo quando senti un'improvviso scossone. Fuori dal tuo finestrino sembra non stia succedendo nulla, eppure l'aereo continua a scuotere te ed i tuoi compagni di viaggio quando attraversa l'aria turbolenta dell'atmosfera. Che cos'è esattamente la turbolenza, e perché si verifica? Tomàs Chor si immerge in uno dei predominanti misteri della fisica: il complesso fenomeno della turbolenza.

Lezione di Tomàs Chor, diretta da Biljana Labovic.

Sei su un aereo quando
senti un improvviso scossone.

Fuori dal tuo finestrino sembra
non stia succedendo nulla

eppure l'aereo continua a scuotere
te e i tuoi compagni di viaggio

passando nell'aria
turbolenta dell'atmosfera.

Sebbene potrebbe non consolarti sentirlo,

questo fenomeno è uno
dei principali misteri della fisica.

Dopo più di un secolo
di studi sulla turbolenza,

abbiamo dato solo alcune risposte

su come funziona e influenza
il mondo intorno a noi.

Eppure, la turbolenza è onnipresente,

e spunta praticamente in ogni sistema
con dei fluidi in movimento.

Questo include il flusso d'aria
nell'apparato respiratorio.

Il sangue che si muove
attraverso le arterie.

E il caffè nella tazzina,
quando si mescola.

Le nuvole sono governate dalla turbolenza,

come lo sono le onde
che si infrangono sulla costa

e le raffiche di plasma nel nostro sole.

Comprendere esattamente
come funziona questo fenomeno

avrebbe una ripercussione
su tanti aspetti della nostra vita.

Ecco ciò che sappiamo.

Liquidi e gas di solito
hanno due tipi di moto:

un flusso laminare,
che è stabile e tranquillo;

e un flusso turbolento,

che è composto di vortici
apparentemente disordinati.

Immagina un bastoncino di incenso.

Il flusso laminare di fumo liscio
alla base è stabile e facile da predire.

Tuttavia, nella parte più alta

il fumo accelera, diventa instabile,

e l'andamento del moto cambia
in qualcosa di caotico.

Questa è la turbolenza in azione,

e i flussi turbolenti hanno
certe caratteristiche in comune.

Prima di tutto, la turbolenza
è sempre caotica.

Che è diverso dall'essere casuale.

Piuttosto, significa che la turbolenza
è molto sensibile alle perturbazioni.

Una spintarella in un senso o nell'altro

porterà a risultati completamente diversi.

Questo rende praticamente impossibile
predire cosa succederà,

persino con molte informazioni

sullo stato attuale del sistema.

Un'altra caratteristica importante
della turbolenza

sono le diverse dimensioni di moto
che mostrano questi flussi.

I flussi di turbolenza

hanno molti mulinelli di dimensioni
differenti chiamati "vortici",

vortici di dimensione e forma diverse.

Tutti questi vortici di dimensioni diverse

interagiscono l'uno con l'altro,

rompendosi per diventare
sempre più piccoli

fino a che tutto questo movimento
è trasformato in calore,

in un processo chiamato
la "cascata di energia".

Ecco come riconosciamo la turbolenza.

Ma perché si verifica?

In ogni liquido o gas che scorre
ci sono due forse opposte:

l'inerzia e la viscosità.

L'inerzia è la tendenza dei fluidi
a continuare a muoversi,

il che causa instabilità.

La viscosità contrasta le perturbazioni,

rendendo il flusso laminare.

In liquidi densi come il miele,

la viscosità vince quasi sempre.

Sostanze meno viscose
come l'acqua o l'aria

sono più soggette all'inerzia,

che crea le instabilità
che evolvono nella turbolenza.

Si misura dove è posizionato
un fluido in questo spettro

con qualcosa chiamato
il numero di Reynolds,

che è il rapporto tra l'inerzia
di un fluido e la sua viscosità.

Più grande è il numero di Reynolds,

più è probabile
che si verifichi una turbolenza.

Il miele versato in una tazza, ad esempio,

ha un numero di Reynolds pari ad 1.

La stessa situazione con l'acqua

ha un numero di Reynolds
che è vicino a 10.000.

Il numero di Reynolds è utile
per comprendere semplici scenari,

ma è inefficace in molte situazioni.

Ad esempio, il movimento dell'atmosfera

è influenzato in modo significativo

da fattori che includono
la gravità e la rotazione della terra.

Oppure considera cose
relativamente semplici

come la resistenza aerodinamica
dei palazzi e delle macchine.

Possiamo fare dei modelli grazie
a molti esperimenti e prove empiriche.

Ma i fisici vogliono
essere in grado di prevederli

attraverso leggi fisiche ed equazioni,

così come siamo in grado di modellare

le orbite dei pianeti
e i campi elettromagnetici.

Molti scienziati pensano che per arrivarci
si farà affidamento sulla statistica

e sull'aumento della potenza di calcolo.

Simulazioni di flussi di turbolenza
su computer estremamente veloci

potrebbero aiutarci a identificare schemi
che potrebbero portare a una teoria

che organizzi e unifichi le predizioni
attraverso situazioni diverse.

Altri scienziati pensano
che il fenomeno sia talmente complesso

che una teoria così completa
non potrà mai essere possibile.

Speriamo di giungere a una scoperta,

perché una vera comprensione
della turbolenza

potrebbe avere enormi impatti positivi,

che potrebbero comprendere
parchi eolici più efficienti;

la possibilità di prepararsi meglio
a eventi atmosferici catastrofici;

o persino il potere di controllare
gli uragani a distanza.

E naturalmente, voli più tranquilli

per milioni di passeggeri
delle linee aeree.