Il video dall’interno di una centrifuga rivela che la nostra comprensione della fisica dei fluidi è incompleta

Nel mondo scientifico, una centrifuga è uno strumento familiare, utilizzato per separare i componenti liquidi mediante la forza centrifuga. Una recente iniziativa di Maurice Meekers, un artista olandese, ha rivelato che la nostra comprensione della fisica dei fluidi è ancora lungi dall’essere completa. Integrando una telecamera in una centrifuga, ha rivelato fenomeni inaspettati.

Dall’intersezione tra arte e fisica emerge una svolta inaspettata. Maurice Meekers, un artista olandese, ha convertito una centrifuga da laboratorio in uno studio cinematografico in miniatura, rivelando fenomeni fluidi precedentemente inosservati. Per realizzare questo progetto, ha collaborato con ricercatori dell’Università di Twente, sempre nei Paesi Bassi.

Questa innovazione, che cattura immagini straordinarie di liquidi rotanti, apre nuovi orizzonti, soprattutto nei settori farmaceutico e alimentare, dove una comprensione dettagliata di questi processi è fondamentale. Makers ha presentato la sua ricerca all’incontro annuale del Dipartimento di Fluidodinamica dell’universitàSocietà americana di fisica A Washington, DC, il 19 novembre di quest’anno.

L’origine dell’idea innovativa

Meekers, che ha un background tecnico di laboratorio, è sempre stato affascinato dalla centrifugazione, un processo comune per separare gli ingredienti dai liquidi. Questo fascino lo ha portato a chiedersi come sarebbe la separazione dei liquidi dall’interno di una macchina. Ha poi pensato di creare un sistema in grado di scattare foto direttamente dall’interno di una centrifuga in azione.

Tuttavia, realizzare un’impresa del genere non è stato privo di sfide. Infatti, le centrifughe generano forze potenti fino a 2.500 volte la gravità terrestre. In un ambiente del genere, le apparecchiature elettroniche standard non possono sopravvivere, rendendo il lavoro dei Maker particolarmente difficile, spiega in un articolo su Mediazione.

Per affrontare questa sfida, ha dovuto innovare e adattare la tecnologia esistente. Si è rivolto alla stampa 3D, che ha permesso di creare parti personalizzate in grado di resistere alle dure condizioni all’interno della centrifuga. Utilizzando questa tecnologia, Mikkers ha prodotto componenti speciali, inclusa la custodia della fotocamera, in grado di resistere a intense forze centrifughe.

La fotocamera stessa è stata accuratamente selezionata e modificata per funzionare in queste condizioni estreme. Era alimentato da batterie appositamente progettate per fornire energia stabile e di lunga durata, nonostante i vincoli ambientali. Inoltre, i produttori dovevano garantire che la fotocamera potesse catturare immagini di alta qualità, nonostante i movimenti rapidi e le vibrazioni estreme. Questo progetto, che unisce ingegneria, arte e scienza, non solo ha dimostrato la fattibilità tecnica dell’imaging all’interno di una centrifuga, ma ha anche aperto la strada a nuovi metodi di esplorazione dei fenomeni fisici.

Turbini misteriosi mettono in discussione i modelli

Quando Meekers e il suo team dell’Università di Twente hanno visionato per la prima volta le immagini scattate dalla fotocamera incorporata nella centrifuga, hanno riscontrato risultati inaspettati, mettendo in discussione le conoscenze convenzionali.

Invece della separazione graduale e fluida che normalmente ci si aspetta, le immagini rivelano uno scenario molto più caotico. Invece di separarsi silenziosamente, i fluidi formano intensi vortici e vortici. Ciò che rende questa osservazione ancora più interessante è che essa avviene anche con liquidi relativamente semplici, come l’acqua contenente particelle sospese. Questi vortici non sono semplici vortici, ma movimenti complessi e dinamici, che indicano interazioni fluide molto più complesse di quanto previsto dalla teoria classica.

Questi risultati hanno spinto Meekers e il suo team a riconsiderare le basi della separazione centrifuga dei liquidi. Le teorie esistenti non possono spiegare la formazione di queste complesse strutture di vortici. Pertanto, i ricercatori hanno deciso di analizzare questi fenomeni in modo approfondito. Hanno utilizzato simulazioni al computer per testare diverse ipotesi sull’origine di questi vortici.

Una delle prime idee ad essere scartata fu quella delle variazioni di temperatura all’interno del fluido, insufficienti a spiegare la formazione di vortici osservata. Il team si è poi rivolto ad altri possibili fattori, come le vibrazioni meccaniche della centrifuga stessa. Cominciarono a sospettare che anche lievi scosse, inerenti al funzionamento della macchina, potessero essere responsabili di questi movimenti fluidi inaspettati.

Oltre la curiosità scientifica

Questa ipotesi, se confermata, potrebbe non solo far luce su un aspetto sconosciuto della fluidodinamica nella centrifugazione, ma portare anche a miglioramenti nella progettazione e nell’utilizzo delle centrifughe in diversi campi scientifici e industriali (alimentare e farmaceutico per esempio). . Le centrifughe in questi settori, infatti, sono fondamentali per purificare e separare le componenti dei prodotti, come nella produzione di vaccini o nella filtrazione dei succhi di frutta.

Se questi vortici mescolano componenti che dovrebbero essere separati, ciò può ridurre l’efficienza della centrifuga, aumentare i costi di produzione e persino compromettere la qualità del prodotto finale.

Rendendosi conto del potenziale impatto della sua scoperta, Makers prevede di espandere la portata del suo progetto per includere una gamma più ampia di fluidi e condizioni di centrifugazione. L’obiettivo è duplice: da un lato, approfondire la comprensione scientifica dei fenomeni osservati e, dall’altro, trasformare questa iniziativa in una piattaforma educativa e di ricerca.

Makers vuole rendere queste scoperte accessibili e comprensibili, non solo alla comunità scientifica, ma anche al grande pubblico. Condividendo i suoi studi, spera di stimolare l’interesse per la scienza e forse ispirare innovazioni future.

video : All’interno della centrifuga e movimento fluidico senza precedenti nella soluzione di saccarosio. ©Maurice Makers