Controluce - Figure per descrivere
pensare elementi
autore:
Fausto Cattaneo, Aleksandr Obabko, Paul Fischer
affiliazione:
Argonne National Laboratory,
University of Chicago
L'immagine
Flusso di Couette magneticamente instabile
L’instabilità magnetica di un fluido in rotazione (MRI) è una possibile soluzione del problema del trasporto del momento angolare nei dischi di accrescimento (dischi che si trovano su diverse scale astronomiche e cosmologiche), il problema cioè di determinare quale sia il meccanismo che porta la materia ad assumere le distribuzioni osservate, in certi casi spostandosi da un'orbita all'altra in un modo che non si riesce a spiegare con le leggi della meccanica classica.
Questa instabilità si produrebbe nello spazio per effetto dei campi magnetici, che conferiscono al fluido un equivalente eletrodinamico della viscosità. La viscosità è infatti uno dei fattori determinanti dell'insorgere di fenomeni di turbolenza nei fluidi in rotazione.
Si chiama flusso di Couette la corrente prodotta dal movimento relativo di due pareti solide, dal nome del fisico francese Maurice Couette che, nel 1888, mise a punto un apparecchio per misurare la viscosità dei fluidi.
Il viscosimetro di Couette consiste in due cilindri coassiali che ruotano a diverse velocità. Ruotando i cilindri in modo diseguale si formano delle strutture secondarie che, per uno stesso fluido, rimangono stabili all'interno di certi valori di velocità relativa. La viscosità del fluido è rivelata dall'andamento di queste correnti secondarie.
La viscosità del liquido - o il campo magnetico che ne orienta le molecole - inducono un andamento non lineare, perché tra gli elementi in gioco si determina una situazione che può\tessere paragonata al formarsi di legami elastici tra corpi che orbitano su orbite coplanari: per effetto della tensione esercitata dal legame elastico, il corpo sull'orbita più interna tenderà a cadere in un'orbita ancora più interna per effetto della decelerazione, mentre l'altro verrà accelerato e tenderà quindi a passare a un'orbita più esterna. Situazione instabile in cui minimi scarti portano a deviazioni massime, tipicamente all'origine di fenomeni di turbolenza
Questa instabilità si produrebbe nello spazio per effetto dei campi magnetici, che conferiscono al fluido un equivalente eletrodinamico della viscosità. La viscosità è infatti uno dei fattori determinanti dell'insorgere di fenomeni di turbolenza nei fluidi in rotazione.
Si chiama flusso di Couette la corrente prodotta dal movimento relativo di due pareti solide, dal nome del fisico francese Maurice Couette che, nel 1888, mise a punto un apparecchio per misurare la viscosità dei fluidi.
Il viscosimetro di Couette consiste in due cilindri coassiali che ruotano a diverse velocità. Ruotando i cilindri in modo diseguale si formano delle strutture secondarie che, per uno stesso fluido, rimangono stabili all'interno di certi valori di velocità relativa. La viscosità del fluido è rivelata dall'andamento di queste correnti secondarie.
La viscosità del liquido - o il campo magnetico che ne orienta le molecole - inducono un andamento non lineare, perché tra gli elementi in gioco si determina una situazione che può\tessere paragonata al formarsi di legami elastici tra corpi che orbitano su orbite coplanari: per effetto della tensione esercitata dal legame elastico, il corpo sull'orbita più interna tenderà a cadere in un'orbita ancora più interna per effetto della decelerazione, mentre l'altro verrà accelerato e tenderà quindi a passare a un'orbita più esterna. Situazione instabile in cui minimi scarti portano a deviazioni massime, tipicamente all'origine di fenomeni di turbolenza
La tecnica
Simulazione 3D di magnetoidrodinamica (MHD)
La magnetoidrodinamica (MHD) è la disciplina che studia il rapporto tra la dinamica dei fluidi e quella dei campi magnetici. Iniziata dal fisico svedese Hannes Halfvén (insignito per questo del Nobel per la fisica nel 1970), la MHD mira a rendere conto del comportamento di fluidi che sono buoni conduttori di elettricità (come il plasma - lo stato più comune della materia nel cosmo - i metalli liquidi e anche l’acqua salata) tenendo conto nella modellizzazione anche delle interazioni di natura elettrodinamica.
I modelli magnetoidrodinamici risultano infatti dall’integrazione delle equazioni di Maxwell che definiscono un campo elettromagnetico nel sistema di equazioni differenziali parziali che costuituisce la fluidoninamica computazionale (CFD).
Modelli magnetoidrodinamici vengono utilizzati in geofisica e soprattutto in astrofisica, dove permettono di studiare il comportamento di dischi di accrescimento come quelli che portano alla formazione di sistemi planetari, stelle, pulsar, stelle binarie e buchi neri.
Le simulazione che ha prodotto i dati visualizzati nelle immagini fa parte di una ricerca realizzata utilizzando 2 milioni di ore/processore del Seaborg system al National Energy Research Scientific Computing Center.
Per questa simulazione è stata utilizzata un’stensione magnetoidrodinamica di Nek5000, programma realizzato dall’Argonne National Laboratory che ha dimostrato una particolare capacità di descrivere il comportamento di fluidi non comprimibili con condizioni di contorno molto precise, come dimostrato la simulazione fluidodinamica della turbolenza in un cilindro di Couette realizzata appunto per testare il programma.
I modelli magnetoidrodinamici risultano infatti dall’integrazione delle equazioni di Maxwell che definiscono un campo elettromagnetico nel sistema di equazioni differenziali parziali che costuituisce la fluidoninamica computazionale (CFD).
Modelli magnetoidrodinamici vengono utilizzati in geofisica e soprattutto in astrofisica, dove permettono di studiare il comportamento di dischi di accrescimento come quelli che portano alla formazione di sistemi planetari, stelle, pulsar, stelle binarie e buchi neri.
Le simulazione che ha prodotto i dati visualizzati nelle immagini fa parte di una ricerca realizzata utilizzando 2 milioni di ore/processore del Seaborg system al National Energy Research Scientific Computing Center.
Per questa simulazione è stata utilizzata un’stensione magnetoidrodinamica di Nek5000, programma realizzato dall’Argonne National Laboratory che ha dimostrato una particolare capacità di descrivere il comportamento di fluidi non comprimibili con condizioni di contorno molto precise, come dimostrato la simulazione fluidodinamica della turbolenza in un cilindro di Couette realizzata appunto per testare il programma.
Cos'e' controluce
Controluce è una raccolta di immagini scientifiche provenienti dai laboratori di ricerca.
La scienza procede per modelli e anche per immagini. L'osservazione dei fenomeni, gli esperimenti di laboratorio, l'intuizione matematica, le simulazioni al computer utilizzano in molti casi la sintesi e la capacità evocativa di un'immagine. Sopratutto, le immagini sono un irrinunciablile ingrediente della comunicazione della scienza, sia interna che esterna a una certa disciplina.
Le immagini di Controluce vengono scelte e descritte da Ulisse con un lavoro di confronto e di dialogo con gli scienziati che le hanno prodotte. Si tratta di immagini che nascono direttamente dall'attività di ricerca, ma che hanno un alto potenziale comunicativo anche per un pubblico più ampio.
