Il galleggiamento inverso o instabilità di Rayleigh–Taylor

In una ricerca pubblicata su Nature è stato dimostrato come oggetti di piccole dimensioni siano in grado di galleggiare sul lato opposto dei fluidi levitati invece di precipitare a causa della forza di gravità.

In poche parole, un oggetto, in questo studio è stata utilizzata una barchetta, immerso in un liquido può galleggiare anche se capovolto rispetto la superficie di questo liquido viscoso: si crea un equilibrio di forze simili nelle sezioni superiori e inferiori del liquido in sospensione.

Si tratta di una scoperta interessante che potrebbe essere applicata a diverse circostanze come il trasporto di gas o altri materiali attraverso i fluidi in macchinari industriali.

La ragione di questo effetto apparentemente antigravitazionale risiede nell’applicazione delle forze di vibrazione verticale accuratamente calibrate: fare vibrare e levitare liquidi densi in un contenitore chiuso, genera un effetto antigravitazionale appunto, che potrebbe avere un buon riscontro nell’ingegneria chimica.

L’instabilità di Rayleigh–Taylor, o instabilità RT

“Se posizionato su un mezzo meno denso, uno strato liquido tipicamente collasserà verso il basso se supera una certa dimensione, poiché la gravità che agisce sull’interfaccia del liquido inferiore innesca un effetto destabilizzante chiamato instabilità di Rayleigh-Taylor . Tra i molti metodi che sono stati sviluppati per impedire la caduta del liquido, l’agitazione verticale si è dimostrata efficace ed è stata quindi studiata in dettaglio. Prevediamo teoricamente e dimostriamo sperimentalmente che l’agitazione verticale crea anche posizioni di galleggiamento stabili sull’interfaccia inferiore del liquido, che si comportano come se la forza gravitazionale fosse invertita. I corpi possono quindi galleggiare sottosopra sull’interfaccia inferiore degli strati liquidi in levitazione”, raccontano nel loro articolo gli autori dello studio.

L’instabilità di Rayleigh–Taylor, o instabilità RT, è un’instabilità di un’interfaccia tra due fluidi di diverse densità che avviene quando il fluido più leggero spinge il fluido più pesante. Esempi di ciò sono il comportamento dell’acqua sospesa sopra l’olio, i funghi atomici come quelli delle eruzioni vulcaniche e delle esplosioni nucleari atmosferiche, esplosioni di supernova nella quale il gas del nucleo che si espande viene accelerato contro il gas più denso dei gusci esterni, instabilità nei reattori di fusione al plasma e fusioni a confinamento inerziale.

La barca dell’esperimento, ma andrebbe bene qualsiasi oggetto di proporzioni simili, viene spinta nel liquido a causa dell’alta pressione della sacca d’aria sottostante, pressione creata in primo luogo dal peso dello strato di liquido.

Quando la forza verso l’alto di questa pressione è bilanciata dalla forza di gravità verso il basso, l’oggetto galleggia sulla superficie capovolta. Bilanciare questa pressione è la parte difficile, e questo è uno degli argomenti principali di questo nuovo studio: le forze necessarie sono state modellate matematicamente prima di essere testate in laboratorio.

La forza e la frequenza dell’agitazione sono cruciali affinché l’esperimento funzioni. Man mano che le vibrazioni diminuiscono, la forza antigravitazionale viene meno e  sia la barca che lo strato di liquido sospeso precipitano sul fondo del contenitore.

 I ricercatori sono stati in grado di convalidare i loro risultati anche con calcoli teorici, il che significa che questo evento non è stato semplicemente un colpo di fortuna, ma piuttosto una caratteristica fondamentale di come le vibrazioni influenzano i liquidi densi. Scoprire cosa potrebbe significare L’instabilità di Rayleigh–Taylor in questi campi offre un grande potenziale per la ricerca futura.