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Soffiare sulle vele

pubblicato 26 dic 2020, 07:23 da Franco Bagnoli   [ aggiornato in data 4 gen 2021, 09:51 ]
In una delle sue avventure (Oodles of the Oomph - Archimede Pitagorico Motonauta, Carl Barks 1960), Archimede tenta di spostarsi in barca soffiando sulle vele

e da buono conoscitori della terza legge di Newton diremmo che è impossibile.

Eppure i MithBusters mostrano che è possibile:

Come può essere? Hanno davvero "sbugiardato" Newton?

Come notano anche loro, avrebbero potuto viaggiare molto più velocemente spingendo direttamente la barca con il soffio del ventilatore. Ma in una barca spinta da un ventilatore, cosa è che spinge: il soffio all'indietro o l'aspirazione dell'aria alla "bocca" del ventilatore?

Questo è un problema che già Mach si era posto nel 1883. Un irrigatore rotante viene fatto ruotare dalla spinta dell'acqua che esce. Se invece l'acqua (o l'aria) fosse aspirata, ruoterebbe lo stesso (in senso contrario)?
Mach notò che quando la palla di gomma che faceva ruotare lo spruzzatore veniva rilasciata, l'apparecchio rimaneva fermo. E anche Feynman, che tentò da studente di replicare l'esperimento, non notò nessun movimento (https://en.wikipedia.org/wiki/Feynman_sprinkler).

In effetti, in un fluido ideale, non ci dovrebbe essere nessuna forza dovuta all'aspirazione, ma a causa della viscosità dei fluidi, c'è un piccolo effetto, ad alte velocità (dovuto anche alla formazione di vortici all'interno dello spruzzatore), come mostrato da questo esperimento di Harward

Torniamo alla barca. Se supponiamo in prima approssimazione che il "risucchio" non crei nessuna forza (le velocità in questo caso sono abbastanza basse), vediamo cosa succede all'aria una volta che è stata arrestata dalla vela. Se invece dell'aria il ventilatore sparasse della creta, che rimane attaccata alla vela, non avremmo nessuna spinta totale (terza legge di Newton). Ma l'aria invece va da qualche parte.
Soffiando si crea una zona di pressione più alta di quella esterna in prossimità della vela. Da questa zona l'aria esce in tutte le direzioni (ovviamente dobbiamo poi sommare il flusso del ventilatore per avere la velocità dell'aria, ma abbiamo già considerato l'effetto del soffio). Dato che la vela impedisce all'aria di andare nella direzione "anteriore" della barca, abbiamo una spinta netta verso la direzione anteriore.

Per provarlo, ho sospeso un ventilatore ad una cordicella (con un'altra che funziona da filo a piombo). Ovviamente da solo si comporta come un hovercraft e la corda si inclina verso il "retro" del ventilatore
Ma se metto uno schermo che "reindirizza" all'indietro il soffio, abbiamo che la cordicella si inclina (poco) nella direzione opposta.



In pratica, è come se avessimo una bomboletta di aria compressa, che esce in direzione posteriore, e per reazione spinge la barca in direzione anteriore.

Un effetto simile si dovrebbe avere per l'aspirazione. Se io aspiro aria di fronte ad una vela abbastanza grande, creo una depressione che dovrebbe spingere la vela dalla parte dell'aspirazione. Per l'acqua invece, dato che è essenzialmente incomprimibile, probabilmente l'effetto è molto minore.

Bisognerebbe rifare l'esperimento di Harward mettendo degli imbuti (o altri schermi) all'estremità dei tubicini, in acqua e in aria. I tubicini potrebbero essere anche dritti, con delle "vele" inclinate alla fine.

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