MILANO - Gli scienziati hanno scoperto una formula inaspettatamente semplice che governa uno dei limiti più apparentemente inconoscibili della fisica: determinare il limite di stabilità di una goccia d’acqua se esposta a un campo elettrico esterno, ovvero per quanto tempo le goccioline o le bolle d’acqua possono rimanere intere prima che le sue molecole si separino a causa di stress elettrici. Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
Il fenomeno
"Prima del nostro risultato, ingegneri e scienziati hanno dovuto eseguire simulazioni al computer attraverso le quali valutare la stabilità di una gocciolina elettrizzata", spiega Justin Beroz, ingegnere meccanico e studente di fisica del MIT. "Con la nostra equazione, si può subito prevedere questo comportamento sulla carta." Il fenomeno analizzato da Beroz e dal suo team si verifica quando le gocce di pioggia cadono dal cielo e vengono influenzate dai campi elettrici generati dalle nuvole temporalesche o, ancora, quando sono esposte a campi elettrici provenienti da altre fonti, come le linee elettriche. In questi casi, la tensione superficiale che tiene unite le molecole d’acqua in una forma sferica può venire meno perché il campo elettrico le attrae efficacemente verso l’esterno mentre la carica si accumula sulla superficie. "Ad un certo punto – aggiunge Beroz – se il campo elettrico è abbastanza forte, la gocciolina d’acqua non riesce a trovare una forma che equilibra la forza elettrica, diventa instabile e scoppia.”
L’esperimento
Nel corso dell’esperimento, Beroz e il suo team hanno osservato il comportamento delle goccioline d'acqua distribuite su una piastra metallica elettrificata, filmando i risultati con una fotocamera ad alta velocità. Concentrandosi sul momento esatto prima che il campo elettrico costringesse la goccia a scoppiare - e osservando la sua forma in quell'istante - i ricercatori hanno scoperto che il limite di stabilità è governato da una legge di potenza che può spiegare la soglia di separazione delle goccioline, sia che si trovino su una superficie piana sia che siano fluttuanti nell'aria. Secondo i ricercatori, la formula della legge di potenza ruota principalmente intorno al volume e al raggio della gocciolina, mentre i precedenti approcci teorici avevano considerato la loro altezza insieme al loro raggio per calcolare il limite di stabilità.
Gli scenari futuri
Secondo il team, grazie a questa nuova equazione e conoscendo quattro dei cinque parametri necessari - tensione superficiale delle goccioline, intensità del campo elettrico e permittività elettrica dell'aria, oltre al volume e al raggio - è sempre possibile calcolare il quinto parametro, e quindi spiegare il limite di stabilità. I risultati dell’esperimento potrebbero ridefinire l’attuale comprensione teorica in diverse aree della scienza, portando a potenziali progressi nei processi industriali come l'elettrofilatura, la filtrazione elettrostatica e la demulsificazione. "Da un punto di vista teorico, è stato un risultato inaspettatamente semplice data la complessità matematica del problema", conclude Beroz.
di Salvatore Galeone
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