La dinamica delle bolle svela quello che forse l’esperienza già conosce: quanto inclinare una bottiglia per far uscire il fluido più rapidamente?

La dinamica delle bolle all’interno della bottiglia è uno di quei tipici fenomeni fisici che abbiamo così quotidianamente sott’occhio che forse non immaginiamo fino in fondo quanto sia complesso.

Lo studio della dinamica delle bolle ha implicazioni anche al di fuori del settore delle bevande

Potrebbe sembrare tema quasi da Ignobel: studiare quanto velocemente si possano svuotare bottiglie è uno studio serissimo e utile che ha implicazioni ad ampio raggio per molte aree al di fuori del settore delle bevande.

Le bolle sono state ampiamente studiate per secoli, addirittura Leonardo da Vinci si dedicò al tema notando l’ascesa sinusoidale di bolle all’interno di una piscina.

La dinamica di crescita delle bolle alla bocca di una bottiglia dipende dalle proprietà termofisiche del fluido, dalla geometria della bottiglia e dal suo angolo di inclinazione. Questi parametri indissolubilmente intrecciati hanno reso le dinamiche di svuotamento delle bottiglie la prossima frontiera per i fisici delle bolle.

Scienziati dell’Istituto indiano di tecnologia Roorkee in un lavoro uscito sulla rivista Physics of Fluids questa settimana hanno esplorato il fenomeno di svuotamento delle bottiglie dal punto di vista della dinamica delle bolle utilizzando una bottiglia commerciale e servendosi della fotografia ad alta velocità.

L’analisi delle immagini ha permesso di concettualizzare vari parametri, come lo spessore del film liquido, le proporzioni delle bolle, la velocità di salita e le modalità di svuotamento delle bottiglie.

La dinamica delle bolle all’interno della bottiglia è troppo complessa per essere studiata, quindi abbiamo diviso la crescita interfacciale delle bolle in diverse fasi per comprenderle

ha affermato uno dei ricercatori.

È noto che il tempo di svuotamento di una bottiglia è maggiore se si aumenta l’angolo di inclinazione.

Gli esperimenti suggeriscono che esiste un angolo critico di inclinazione, dopo di che qualsiasi ulteriore aumento dell’inclinazione della bottiglia non porterà a un’ulteriore riduzione del tempo di svuotamento della bottiglia. Ciò si verifica a causa della saturazione del vuoto, spazio occupato dall’aria all’interno del liquido circostante, alla bocca della bottiglia con l’angolo di inclinazione.

Evoluzione temporale della bolla all’interno di fluidi diversi. CREDITO: Lokesh Rohilla

Sono state identificate due distinte modalità di svuotamento delle bottiglie. In una modalità, la velocità di scarico è aumentata a causa del fatto che le bolle d’aria all’interno della bottiglia si staccano ad alta frequenza. Nell’altra modalità, è causato da un aumento del volume della bolla che si stacca ad una frequenza relativamente più bassa.

Sono state osservate anche bolle incapsulate durante lo scarico del fluido in una bottiglia rivolta verticalmente. Le bolle incapsulate si staccano solo quando raggiungono la bocca della bottiglia. La viscosità dei liquidi gioca un ruolo fondamentale nel processo perché al variare di questo parametro cambia l’attrito tra le parti del fluido stesso e il recipiente e ciò modifica la periodicità con cui si staccano le bolle.

Questo lavoro dimostra che la geometria della bottiglia e le proprietà termofisiche svolgono un ruolo chiave nel ridurre il tempo necessario per svuotare una bottiglia.

Siamo in grado di manipolare il modello di scarico della bottiglia modificando la geometria della stessa

conclude uno dei ricercatori che afferma anche che

Un design specifico del flacone per un determinato prodotto consentirà un migliore controllo della sua velocità di scarico

L’industria delle bevande e gli impianti chimici sono tra le applicazioni che trarranno vantaggio diretto da questa migliore comprensione dell’influenza della geometria delle bottiglie in tale processo.