Oscillazione di gocce di liquidi Newtoniani indotte da vibrazione acustiche. Uno studio.
di Sonia Migliavacca, Elio Scholtz e Filippo Invernizzi dell’Istituto Aeronautico ‘A. Locatelli’, Bergamo
https://www.youtube.com/watch?v=AvmWD7D7_FA
Gli estensori dello studio vincono l’accredito a IEYI, International Exhibition for Young Inventors 2020, Kazan (Republic of Tatarstan), 5-10 settembre 2020
http://ieyi.ru/en/programme/
La prima mostra per giovani inventori si tenne in Giappone nel 1904 e aveva un carattere nazionale. Nel 2004, in occasione del centenario dell’Istituto giapponese di invenzioni e innovazioni (JIII), si è tenuta a Tokyo la prima mostra per giovani inventori. È stato un grande successo e da allora questo evento si tiene ogni anno in diversi paesi del mondo. Nel corso degli anni i giovani inventori hanno visitato: Malesia, India, Indonesia, Cina, Nigeria, Vietnam e Tailandia. L’obiettivo principale di IEYI è quello di incoraggiare la creatività e l’ingegno tra gli adolescenti di tutto il mondo. Offre ai partecipanti l’opportunità unica di presentare le loro invenzioni e condividere esperienze con altri partecipanti di diversi Paesi. La mostra è progettata per fornire un discreto livello di concorrenza tra i giovani talenti, al fine di aiutarli a trasferire le loro conoscenze ai loro coetanei, nonché a sviluppare capacità di cooperazione nel campo delle innovazioni tra Paesi. Infatti gli obiettivi principali di IEYI sono: stimolazione dell’approccio creativo per le innovazioni e le invenzioni, creazione di un’atmosfera di libertà di pensiero per lo sviluppo di giovani inventori nell’ambiente creativo, incontro di immaginazione e creatività dei giovani.
Sintesi del progetto. Una goccia di liquido può oscillare come fosse una molla? In quali circostanze? E quali possibili applicazioni? L’esperimento condotto da Sonia, Elio e Filippo amplia uno studio precedente della Carolina University e dimostra che la formula di Rayleigh ha un campo di applicazione da gocce centimetriche (bolle di sapone) fino a gocce micrometriche (nebbia). In particolare con l’utilizzo di ultrasuoni le gocce di nebbia possono essere fatte implodere con conseguente dissipazione. L’esperimento è corredato da grafici e video dimostrativi. I tre studenti difendono l’originalità e le possibili applicazioni del loro lavoro, al quale hanno dedicato impegno e ingegnosità arricchite da passione ed entusiasmo. Abbiamo chiesto loro una breve sintesi dello studio.
Questo progetto riguarda l’interazione di onde ultrasoniche con gocce di liquidi newtoniani. In particolare si tratta di verificare se le onde ultrasoniche siano in grado di interagire con gocce d’acqua del diametro di pochi micron, come la nebbia,  e con quali risultati. Sul piano teorico la soluzione è offerta dalla formula di Rayleigh–Lamb:
f_n=1/2π √((n(n+2)(n-1)γ)/3πρV) 
Questa consente di calcolare a quali frequenze può oscillare una goccia di liquido che abbia una data tensione superficiale (γ), una data densità (ρ) e un determinato raggio R. Ebbene, se si applica questa formula ad una gocciolina di nebbia che abbia il diametro di pochi micron, si osserva che il campo di frequenza risulta essere quello nel range dei Mhz. Per realizzare l’esperimento abbiamo dovuto creare un dispositivo per la produzione della nebbia e poi una sorgente di ultrasuoni alla giusta frequenza. Ci siamo avvalsi dei dispositivi elettromedicali usati per il trattamento dei traumi muscolari. Si tratta di sorgenti ad ultrasuoni a bassa potenza che erogano frequenze nel range 1 – 5 Mhz. L’esperimento mostra chiaramente che quando l’onda ultrasonica interagisce con la nebbia la dissolve, nel senso cioè che le singole goccioline poste in oscillazione dall’onda ultrasonica per un valore opportuno di frequenza (nel nostro caso 3 Mhz) implodono e passano dalla fase liquida a quella di vapore. Allo stato attuale della nostra ricerca lo strato di nebbia dissolta non va oltre 5-6 cm ma ciò dipende solo dalle caratteristiche costruttive della sorgente che è stata progettata per poter penetrare solo pochi centimetri nella pelle umana. Le implicazioni ambientali potrebbero essere quelle di realizzare un dispositivo che abbia una maggiore potenza e che quindi si possa applicare sulla parte anteriore esterna degli autoveicoli per dissipare la nebbia. Il nostro progetto è stato esteso anche a gocce macroscopiche di diametro centimetrico, come le bolle di sapone. Ci siamo resi conto con sorpresa che la formula di Rayleigh–Lamb funziona anche se la goccia non ha una densità omogenea. Sottoponendo una bolla di sapone a vibrazioni indotte da un altoparlante, essa oscilla con frequenze che corrispondono proprio a quelle calcolate mediante la formula. Vedere una bolla di sapone che oscilla lentamente come fosse una molla è divertente.
Sonia Migliavacca, Elio Scholtz, Filippo Invernizzi