0154. Un oggetto in un bagno a ultrasuoni si riscalda? e se si di quanto?

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Desiderei sapere se un oggetto posizionato in un bagno a ultrasuoni si riscalda e se si di quanto? Se io tolgo l'oggetto, l'acqua si riscalda? Insomma gli ultrasuoni riscaldano o no? (Andrea Pistoni)(2050)

 

sem_esperto_verdeInnanzi tutto stabiliamo il significato dei termini che usiamo: ultrasonico significa semplicemente che l'onda ha una frequenza superiore al limite di udibilità dall' orecchio umano , quindi è maggiore di 15 kHz icona_glossario Hz, cioè di 15000 cicli al secondo; evidentemente è un termine molto generico, che comprende i telecomandi a ultrasuoni che funzionano a circa 40 kHz, i dispositivi per la pulizia a ultrasuoni (tra 20 e 40 kHz) e i dispostivi per diagnostica medica o dei materiali, che utilizzano generalmente frequenze fra 1 e 10 MHz e anche oltre. Per questo motivo è preferibile parlare di onda acustica, che è una definizione applicabile alla propagazione delle deformazioni elastiche del mezzo fino a lunghezze d'onda comparabili alla distanza intermolecolare. Per la relazione tra frequenza, lunghezza d'onda e velocità di propagazione si veda il glossario SxT icona_glossario.

Il passaggio di un'onda in un solido, liquido o gas è dovuta alla successione di fasi di compressione e d’espansione che si propagano attraverso il materiale, quindi l'onda è sostanzialmente la trasmissione dell'energia associata alla compressione/espansione. Questo meccanismo idealmente non dovrebbe riscaldare il mezzo di propagazione, ma praticamente qualsiasi trasmissione di energia comporta una certa dissipazione che causa un innalzamento di temperatura. Dal punto di vista microscopico la dissipazione non è altro che la diffusione disordinata di una parte dell'onda in una direzione diversa da quella iniziale; i fenomeni di dissipazione sono quindi fortemente influenzati dalle disomogeneità e dai e difetti localizzati nel materiale attraversato dall' onda.

Nel caso di una lavatrice ad ultrasuoni, il liquido di lavaggio è certamente disomogeneo a livello microscopico, e comunque lo diventerebbe per il passaggio dell'onda che causa la formazione e il collasso di bolle di vapore, quindi gli ultrasuoni riscaldano l' acqua, ma è un effetto minimo; è proprio la formazione di queste bolle, come in un bagno schiuma, che renda efficace il lavaggio a ultrasuoni. Alla superficie dell'oggetto immerso nel liquido l'onda acustica è in parte riflessa, e in parte penetra nel solido mettendolo in vibrazione; ovviamente la frazione dell'energia acustica trasferita all'oggetto dipende moltissimo dal materiale di cui è composto e dalla sua forma, che determina la frequenza di risonanza icona_glossario, per cui nessuna generalizzazione è possibile. Una situazione perfettamente equivalente dal punto di vista fisico è "l' acuto di Enrico Caruso": si racconta che il grande tenore sapesse emettere un acuto in risonanza con i bicchieri che cominciavano a vibrare fino a rompersi; la differenza è solo che Caruso usava una sala da concerto piena di aria, invece di una lavatrice a ultrasuoni piena di acqua, e naturalmente sapeva trovare la nota giusta. Se il nostro web-nauta ha visto una lavatrice ad ultrasuoni con il liquido caldo è probabilmente perché sia l'acqua che la soluzione di NaOH (soda caustica) che spesso viene usata per un completo lavaggio dei contaminanti organici lavano meglio a caldo, quindi conviene scaldare...

I fenomeni di riscaldamento indotti dalla dissipazione di un'onda acustica hanno ricevuto maggior attenzione con il diffondersi delle tecniche diagnostiche ecografiche icona_glossario; le misure effettuare con un modello di tessuto in condizione sperimentali esasperate indicano che si può avere un limitato riscaldamento, ma prevalentemente nei tessuti ossei, e comunque di intensità tale da non costituire un problema nella normale pratica diagnostica. Nella diagnostica dei materiali invece la dissipazione concentrata intorno a un difetto può accrescere significativamente la temperatura locale, permettendo l'individuazione di microfratture e inclusioni ma richiede l'uso di tecniche termografiche molto avanzate.

Piero Patteri – Fisico


 

 
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