Introduzione

C’è un interessante fenomeno fluidodinamico che si verifica ogni mattina in milioni di ciotole di cereali. Quando rimangono pochi pezzi di cereali che galleggiano sopra il latte, tendono a raggrupparsi insieme nel mezzo o attorno ai bordi della ciotola, piuttosto che disperdersi sulla superficie.

Ora un team di ricercatori della Brown University ha sviluppato un modo per misurare le forze coinvolte in questo tipo di raggruppamento. La ricerca è pubblicata in Physical Review Letters da Ian Ho, studente universitario della Brown e autore principale, coautori: Giuseppe Pucci, studioso in visita alla Brown, e Daniel Harris, assistente professore alla Brown’s School of Engineering

Misurate le forze dell’effetto Cheerios

Il team di ricerca è riuscito a misurare sperimentalmente , per la prima volta, le forze coinvolte in quello che viene chimato “l’effetto Cheerios” in oggetti su scala millimetrica/centimetrica. Le implicazioni del lavoro vanno ben oltre le ciotole di cereali: i risultati potrebbero essere utili nel guidare l’autoassemblaggio delle micromacchine o nella progettazione di robot a microscala che operano dentro e intorno all’acqua.

Ci sono stati molti modelli che descrivono questo effetto Cheerios, ma è stato tutto teorico“, ha dichiarato Ian Ho. “Anche se questo sia un qualcosa che vediamo ogni giorno e nonostante l’importanza notevole in settori come l’autoassemblaggio, nessuno ha fatto mai alcuna misura sperimentale su questa scala per convalidare questi modelli. Questo è ciò che siamo stati in grado di fare qui“.

L’effetto Cheerios nasce dall’interazione della gravità e dalla tensione superficiale, ossia la tendenza delle molecole ad aderire sulla superficie di un liquido formando un sottile film sulla stessa. Piccoli oggetti come i Cheerios non sono abbastanza pesanti da rompere la tensione superficiale del latte, quindi galleggiano. Il loro peso, tuttavia, crea una piccola ammaccatura nel film superficiale. Quando un’ammaccatura di Cheerios si avvicina abbastanza a un’altra, cadono l’una nell’altra, fondendo le ammaccature e infine formando grappoli sulla superficie del latte.

L’esperimento

Un apparato su misura misurava le forze attrattive tra Cheerios artificiali. Credit : Brown University

Per testare quanto fortemente si attirano reciprocamente i Cheerios – e altri oggetti nella dimensione e nella gamma di peso dei cereali – i ricercatori hanno usato un apparato personalizzato che utilizza il magnetismo per misurare le forze. L’esperimento coinvolge due dischi di plastica di dimensioni simili a quelle dei Cheerios, uno dei quali contiene un piccolo magnete, che galleggia in una piccola vasca d’acqua.

Le bobine elettriche che circondano la vasca producono campi magnetici, che possono estrarre il disco magnetizzato mentre l’altro è tenuto in posizione. Misurando l’intensità del campo magnetico nel momento in cui i dischi iniziano ad allontanarsi l’uno dall’altro, i ricercatori hanno potuto determinare la quantità di forza attrattiva .

Il campo magnetico ci ha fornito un modo non meccanico di applicare forze a questi corpi“, ha detto Harris. “È stato importante perché le forze che stiamo misurando sono simili al peso di una zanzara, quindi se tocchiamo fisicamente questi corpi interferiremo con il modo in cui si muovono“.

Gli esperimenti hanno rivelato che un modello matematico tradizionale dell’interazione in realtà sottostima la forza dell’attrazione quando i dischi sono posizionati molto vicini tra loro. Inizialmente i ricercatori non erano sicuri di ciò che stava accadendo, fino a quando non hanno notato che quando due dischi si avvicinano, iniziano a inclinarsi l’uno verso l’altro. L’inclinazione fa sì che il disco spinga più forte contro la superficie del liquido, il che a sua volta aumenta la forza con cui il liquidolo spinge indietro. Quella spinta extra si traduce in una forza attrattiva leggermente aumentata tra i dischi.

Ci siamo resi conto che c’era una condizione in più che il nostro modello non prevedeva, ed era questa inclinazione“, ha detto Harris. “Quando abbiamo aggiunto quell’ingrediente al modello, abbiamo ottenuto un risultato migliore. Questo rappresenta l’importanza della interazione tra teoria ed esperimento.”

Possibili applicazioni

I risultati potrebbero essere utili nella progettazione di macchine e robot in microscala, affermano i ricercatori. C’è interesse, ad esempio, nell’utilizzare piccoli robot simili a ragni che possono scivolare sulla superficie dell’acqua per monitorare l’ambiente. Questo lavoro fa luce sul tipo di forze che questi robot incontrerebbero.

Se hai più macchinine che si muovono o due o più gambe di un robot, devi sapere quali forze si esercitano l’una sull’altra“, ha detto Harris. “È un’area di ricerca interessante e il fatto che potremmo contribuire con qualcosa di nuovo è eccitante“.

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