Il cappuccino secondo la meccanica dei fluidi

Da un semplice cappuccino a nuove soluzioni in meccanica dei fluidi.

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Le idee geniali a volte si trovano nei posti più impensati, anche in una tazza di caffelatte.

Questa può essere una lettura dello studio che arriva dall’Università di Princeton, in cui lavora Nan Xue, studente in meccanica dei fluidi nel laboratorio diretto da Howard Stone, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale.

La semplicità di una idea

Xue ha elaborato un nuovo sistema per produrre materiali multistrato, osservando la foto di un cappuccino. L’immagine “galeotta”, arrivata per sbaglio al professor Stone, lo ha indotto a riflettere su come i fluidi a diversa densità e temperatura interagiscono tra loro.

La formazione della struttura del caffè e latte è sorprendente

 

dice Xue, “perché  dal caotico, iniziale versamento e miscelazione dei fluidi si arriva a una disposizione di strati organizzata e distinta“. Lo studente è anche primo autore dello studio pubblicato su Nature Communications.

I ricercatori hanno osservato come avviene la distribuzione dei fluidi in un “banale” latte e caffè. 

 




 

 

Successivamente hanno elaborato un modello sperimentale, per noi apparentemente disgustoso, utilizzando acqua colorata in sostituzione del caffè e acqua salata e densa come surrogato del latte.

Miscelazione di due fluidi

Per osservare la distribuzione degli strati nel “cappuccino artificiale” gli studiosi hanno catturato il movimento dei fluidi utilizzando una tecnica chiamata “velocimetria delle particelle”, usando particelle traccianti e luce laser per analizzare la miscela.

Il meccanismo principale alla base della stratificazione in meccanica dei fluidi è un fenomeno noto come “convezione a doppia diffusione”. Avviene quando fluidi a diversa densità si mescolano e interagiscono tra loro.

Quando si prepara una miscela, nel nostro caso latte e caffè, i liquidi hanno diversa densità e temperatura: quello più caldo e meno denso tende a salire mentre il più freddo e quindi più denso scende.

Dal caos all’ordine

Il movimento caotico iniziale, complice la gravità, raggiunge un equilibrio che si traduce nello scorrimento orizzontale dei fluidi, creando bande o strati distinti.

Oltre alle diverse densità e temperature è fondamentale la velocità di versamento: se troppo lenta il fluido a densità maggiore si mescolerà in modo troppo uniforme mentre fluisce nel liquido meno denso.

Una più rapida velocità innesca invece i movimenti che fanno ottenere la stratificazione desiderata al raggiungimento dell’equilibrio.

Il processo di stratificazione trova applicazione pratica nei processi industriali di produzione dei materiali composti, dove attualmente i diversi strati si ottengono attraverso più “colate” in sequenza, mentre un unico versamento “pianificato” risulterebbe meno dispendioso.

Ma non solo. Detlef Lohse, professore di meccanica dei fluidi all’Università di Twente, in Olanda, pensa che questo studio potrebbe farci capire meglio i fenomeni climatici che dipendono dalla diversa densità e temperatura degli oceani.

Niente male per un semplice cappuccino.

Alessandro Desogus

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