Un viaggio alla scoperta della complessità

6. Fluidi turbolenti e...Campionato di Formula 1!

di G. Bormetti, C.M. Carloni Calame, G. Montagna, N. Moreni, O. Nicrosini, M. Treccani

La turbolenza è uno di quei fenomeni che richiamano una complessità di fondo, come la nascita di strutture organizzate e le caratteristiche frattali del moto. Essa si manifesta all’interno di un fluido in particolari condizioni dinamiche.

scienzapertutti_schema_vorticeTutti abbiamo visto, ad esempio, i vortici che si formano nell’acqua a valle di un ostacolo posto lungo la corrente di un fiume. Tecnicamente, la dinamica dei fluidi è descritta dalle equazioni di Navier-Stokes che prendono il nome da Claude-Louis Navier - ingegnere francese padre della scienza delle costruzioni - e da George Stokes - matematico e fisico irlandese - che contribuì in modo rilevante oltre che alla dinamica dei fluidi anche all'ottica. La soluzione completa di tali equazioni non lineari al momento non è disponibile. I ricercatori hanno però ideato vari schemi di approssimazioni che danno origine a vari scenari per lo sviluppo della turbolenza. In particolare, è possibile caratterizzare i fenomeni turbolenti almeno dal punto di vista fenomenologico. Un ruolo fondamentale da questo punto di vista è giocato dal numero di Reynoldsicona_quantibio, definito dalla formula

 

scienzapertutti_numero_Reynolds

 

dove L e V rappresentano una tipica scala di lunghezza e velocità, rispettivamente, mentre ? è la viscosità del fluido. Si osservi la fotografia del flusso di un fluido attorno a un cilindro: per piccoli valori del numero di Reynolds il fluido scorre ordinatamente; viceversa, per grandi valori dello stesso a valle del cilindro, si formano dei vortici su tutte le scale di lunghezza, dando origine ad una struttura altamente irregolare.

Val la pena osservare che una comprensione profonda dei fenomeni turbolenti avrebbe impatto, ad esempio, sulle previsioni meteorologiche, sul progetto di motori a bassa emissione di inquinanti e, non ultime, sulle performance delle Ferrari al prossimo Campionato di Formula 1.