Scienziati di fama mondiale hanno recentemente compiuto un notevole progresso nella comprensione della turbolenza, confermando in laboratorio una teoria elaborata oltre ottant’anni fa dal matematico sovietico Andrey Kolmogorov. Questo risultato significativo è emerso da un esperimento innovativo che ha esaminato il comportamento delle bolle di gas in un fluido. La ricerca, condotta da un team di esperti dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Germania, della Johns Hopkins University e della Duke University, si è svolta nel 2025 e ha rivelato fenomeni con potenziali applicazioni pratiche in diversi settori.
Un esperimento innovativo
L’esperimento si è realizzato in un cilindro verticale di 11,5 centimetri di diametro, dove i ricercatori hanno iniettato bolle di gas di dimensioni comprese tra 3 e 5 millimetri. Queste bolle, risalendo attraverso una colonna d’acqua illuminata da LED, hanno generato vortici e scie turbolente, creando un ambiente ideale per studiare il trasferimento di energia nei flussi turbolenti. Grazie a un sistema di tracciamento 3D simultaneo, supportato da quattro telecamere sincronizzate in grado di registrare fino a 2.500 fotogrammi al secondo, il team ha potuto monitorare con precisione i movimenti delle bolle e delle particelle d’acqua circostanti.
Questo approccio innovativo ha permesso di osservare il comportamento caotico delle bolle in modi mai visti prima, fornendo dati preziosi per la validazione della teoria di Kolmogorov. In particolare, i ricercatori hanno ricreato quattro scenari sperimentali, due dei quali hanno mostrato una sorprendente corrispondenza con le previsioni teoriche di Kolmogorov per le scale inferiori alla grandezza delle bolle.
Conferma della teoria di Kolmogorov
I risultati ottenuti hanno confermato che, al di fuori delle scie più violente e irregolari, l’energia nei moti turbolenti segue il modello noto come “scaling K41”. Questo modello descrive il passaggio dell’energia dai grandi vortici a quelli più piccoli, un fenomeno che fino ad ora era stato difficile da osservare sperimentalmente in flussi generati da bolle. La conferma di questa teoria rappresenta una pietra miliare nella comprensione della turbolenza e chiude un dibattito scientifico che si protraeva da decenni.
In aggiunta, il team di ricerca ha sviluppato una formula semplificata per stimare la perdita di energia nei flussi di bolle, basata esclusivamente sulla dimensione e sulla densità delle bolle stesse. Questo modello ha dimostrato una notevole coerenza con i dati raccolti, suggerendo potenziali applicazioni pratiche in ambiti come i reattori chimici e gli impianti di trattamento delle acque reflue, dove la turbolenza indotta dalle bolle gioca un ruolo cruciale.
Implicazioni future
La scoperta non solo conferma la robustezza delle intuizioni di Kolmogorov, ma offre anche nuove prospettive per la ricerca scientifica e applicativa. La teoria, sviluppata nel contesto della Seconda guerra mondiale, ha gettato le basi per la moderna comprensione della turbolenza, e ora, grazie a questo esperimento, gli scienziati possono esplorare ulteriormente le sue implicazioni.
Pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, lo studio rappresenta un importante passo avanti nella fisica dei fluidi e potrebbe influenzare significativamente il modo in cui affrontiamo problemi complessi legati alla turbolenza in vari settori industriali. Con questo lavoro, il team di ricerca ha dimostrato che la scienza continua a progredire, rivelando misteri che sembravano irrisolvibili e aprendo la strada a nuove scoperte.
