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I VORTICI SONO COSTITUITI DA PORZIONI DI LIQUIDO DOTATE DI MOTO ROTATORIO.
Il moto dei liquidi può avvenire in due modi sostanzialmente diversi: a) moto, o regime, regolare o laminare o di Poiseuille; b) moto, o regime, irregolare o turbolento o vorticoso. I due tipi di moto si individuano attraverso il numero di Reynolds:
nella quale: r è la densità del liquido da misurare in kgm / m3; v è la velocità media da misurare in m / s; D è il diametro della condotta da misurare in m; m è la viscosità assoluta(*) da misurare in N s / m2.
Quando R è minore di un certo valore, il moto è regolare; quando R è maggiore di un altro valore, il moto è irregolare; quando R è compreso fra i due valori, il moto può essere regolare o irregolare in modo casuale.
Per l'acqua in modo approssimato si ha:
Dire regime casuale significa che il moto può cambiare da un tipo all'altro per effetto di cause locali (una incrostazione, una vibrazione, una bolla d'aria, ecc).
DIAGRAMMI DI VELOCITA':
1) moto regolare: il diagramma della velocità lungo il diametro della condotta è una parabola piuttosto allungata, nel senso che la velocità sull'asse è abbastanza grande rispetto al valore medio (fig. 1);
2) moto irregolare: il diagramma della velocità lungo il diametro della condotta è una curva che assomiglia ad una parabola piuttosto schiacciata nel senso che la velocità raggiunge molto rapidamente il valore medio e nella parte centrale è quasi costante (fig. 2).
ORIGINE DEI VORTICI:
STRATO - LIMITE. Le pareti del tubo sono bagnate da uno strato di liquido piuttosto grosso quando la velocità è piccola; molto più sottile quando la velocità è grande. Nel primo caso il tubo si comporta come se fosse perfettamente liscio. Nel secondo caso le asperità della superficie del tubo "bucano" lo strato limite per cui i filetti fluidi, strisciando su di esse, vengono deviati. Le traiettorie delle particelle di liquido quindi non sono più parallele fra loro e generano moti rotatori, di modo che si creano addirittura velocità, come v, in verso opposto al moto generale del liquido. Tutto ciò infine produce una minore velocità generale, ovvero: per ottenere una data portata occorre una energia maggiore a causa della presenza dei vortici.
STABILITA' DEI VORTICI. Il moto rotatorio è governato dal momento di inerzia, il quale conferisce una grande stabilità(**). Questo effetto è visibile ad esempio nella scia delle navi: dall'elica si staccano infiniti vortici i quali si muovono sulle onde come se avessero una loro vita propria. Analogamente accade per i vortici creati dai remi.
ESAURIMENTO DEI VORTICI. La periferia del vortice "striscia" contro la restante massa di liquido perdendo quindi energia, finché si esaurisce completamente. La permanenza del vortice dipende ovviamente dalla viscosità del liquido: minore viscosità (acqua) maggiore facilità nel formare vortici e maggiore lunghezza di vita; maggiore viscosità (olio) minore facilità nel formare vortici e minore lunghezza di vita. Per rendercene conto mettiamo acqua in un bicchiere e olio in un altro, poi con un cucchiaino mettiamo in rotazione i due liquidi: ci accorgeremo che è più "difficile" fare vortici ed essi hanno minore durata nell'olio.
CAUSE DEI VORTICI. Altre cause che producono moti vorticosi, oltre alla rugosità delle pareti e all'azione di forze esterne, sono i cambiamenti di sezione e di direzione dei tubi, gli ostacoli come valvole e saracinesche, le curve e i deviatori, ecc. In generale diremo che quando i filetti fluidi vengono deviati dalla direzione rettilinea, si produce un moto rotatorio e quindi un vortice.
EFFETTO DEI VORTICI. Apparentemente i vortici sembra che producano diversi effetti. In realtà l'effetto è unico: l'energia sottratta alla corrente si trasforma in calore. Certamente non si tratta di calore sensibile, nel senso che un termometro comune non è in grado di misurare una variazione di temperatura, tuttavia si tratta proprio di energia termica.
(*) Vedi il paragrafo "Viscosità assoluta" in Elementi di meccanica applicata.
(**) Le biciclette stanno in piedi quando si muovono perché il moto rotatorio genera l'effetto giroscopio, il quale si comporta come una "terza ruota". Vedi, sempre in Elementi di meccanica applicata, il paragrafo sul moto rotatorio e anche il paragrafo "La via Lattea" in Elementi di meccanica celeste e astrofisica.