L’effetto Ranque

Postato il 30/01/2008 Aggiornato il 27/03/2016

L’effetto Ranque (eR) è una processo fisico tanto interessante quanto ignorato, almeno dalla maggior parte dei fisici di mia conoscenza, ai quali ho chiesto inutilmente spiegazioni. Usando le parole di Boscoli può essere enunciato nel seguente modo:

“Una qualsiasi massa di gas, quali che siano la sua densità e temperatura iniziali, qualora intervengano una o piu cause, esogene o endogene, a porla in rotazione assiale, andrà via via raffreddandosi nella zona vicina all’asse di rotazione, e si scalderà nella zona esterna”. [2]

Questo principio fu scoperto nel 1933 dal fisico francese Georges J. Ranque, il quale si accorse che immettendo radialmente in un tubo aria compressa in modo da generare un vortice, questa usciva dalle estremità più fredda o più calda di quella immessa a seconda che venisse prelevata dal centro o dalla periferia del tubo stesso. Il vortice all’interno del tubo sembrava creare una separazione dinamica fra molecole di aria più calde e quelle più fredde. Nel 1945 il fisico tedesco Rudolf Hilsch riprese e migliorò i progetti del tubo e li rese pubblici col nome di Vortex Tube.

Questo effetto è cosi macroscopico ed efficiente da essere sfruttato industrialmente per la creazione di sistemi di raffreddamento per macchine utensili (vedi ad esempio Airtx International o Vortexitalia). Nonostante vengano prodotti oggetti che sfruttano questo effetto, il principio che sta alla base di questo processo non sembra essere completamente compreso. Anche se in rete si trovano alcune pubblicazioni, [23] [21] si ha comunque l’impressione non ci sia molto materiale per approfondire la comprensione del fenomeno e la fisica che sta alla base di tale effetto.

Oltre  l’applicazione industriale l’eR diventa interessante se applicato, ad esempio, ai vortici che si producono sulla superficie delle ali degli aeroplani in seguito allo scorrimento dell’aria sulle ali stesse. In determinate condizioni di temperatura e di umidità, l‘effetto di questi vortici potrebbe essere quello di produrre ghiaccio sulle ali con grave pericolo per l’aereo stesso. La tragedia del Colibrì, aereo che cadde in seguito alla formazione di ghiaccio sulle ali, potrebbe, come afferma Boscoli,[2] essere spiegata in questi termini.

Ed ancora proviamo ad applicarlo alla meterologia: L’abbassamento di temperatura, al centro dei vortici che si producono all’interfaccia fra due strati d’aria che scorrono l’uno sull’altro in direzioni opposte, potrebbe provocare la condensazione del vapore acqueo presente ed essere la causa della formazione dei chicchi di grandine.

” E’ certo che i chicchi di grandine restano sospesi in aria per un certo periodo (Effetto Magnus N.D.R.): Molte osservazioni recenti fatte in alta montagna e anche nel mezzo di nubi temporalesche, riferiscono che il rumore prodotto dalle collisioni, dovuto allo scontro fra i chicchi di grandine stessi, perdura per un certo tempo.
Queste osservazioni sembrano dimostrare inoltre che due correnti molto forti di aria, di direzione opposta, dentro lo stesso strato o ad altitudini differenti, precedono la formazione della grandine”

Secondo Boscoli, questo affermazioni tratte da Lezioni di fisica di Carlo Matteucci [9] costituiscono una verifica meterologica dell’effetto di cui stiamo parlando.

Ora proviamo a considerare quello che è il vortice più bello del pianeta: Il ciclone. I cicloni, o uragani, a seconda del luogo in cui nascono si formano a causa del moto convettivo dell’aria calda e del vapore acqueo generato dal riscaldamento del pianeta. Questi enormi flussi convettivi vengono posti in rotazione a causa della rotazione della terra e originano quel grandioso fenomeno di cui stiamo parlando.
Il motore principale che origina e sostiene i cicloni è quindi l’interazione fra i processi di evaporazione, condensazione, gravità e rotazione.

La domanda che mi pongo e che vi pongo è la seguente: In tutto il processo di formazione del ciclone, quanto incide il raffreddamento della massa di aria dovuto all’eR? La domanda viene spontanea perché è probabile che in un fenomeno cosi maestoso, per dimensione e energia,  l’eR giochi un ruolo fondamentale.

Cercherò in rete per trovare la mappa della temperatura in una sezione perpendicolare all’asse verticale  di un ciclone reale, per vedere se il profilo di temperature suggerisce qualcosa di compatibile con gli effetti prodotti dall’eR.

Cambiamo fattore di scala e spostiamoci nello spazio siderale, dove immense nubi di gas, principalmente Idrogeno molecolare quali i Globuli di Bok , sembrano non aspettare altro che l’inizio del collasso gravitazionale che le porterà via via in sempre più rapida rotazione, fino a fargli assumere l’aspetto di enormi e freddi vortici.
Quale peso avrà nella dinamica del sistema l’effetto che noi stiamo considerando?

Secondo Boscoli, l’eR è il principale se non l’unico motore possibile che permette la condensazione e il raffreddamento di una nube di gas, in uno spazio vuoto e senza confini.

Consideriamo una nube di gas neutro che tende, per effetto della gravità, ad accumularsi procedendo in caduta libera verso il suo centro di massa. Il progressivo aumento della densità del gas al centro della nube, farà si che la temperatura aumenti, e di conseguenza anche la sua pressione. Questo aumento di pressione tenderà frenare l’ulteriore accumulo di gas e quindi la crescita del nucleo al centro della nube, almeno fino a che questo non avrà raggiunto, per irraggiamento, l’equilibrio termico con l’ambiente circostante. La velocità con cui avviene l’accumulo di gas dipenderà, almeno nelle prime fasi, dalla massa del gas e dalla necessita di dissipare il calore dal nucleo verso l’esterno.

Se la nube di gas e dotata di un moto di rotazione intorno ad un asse, il problema dell’accumulo di gas diventa ancora più complicato poiché la legge di conservazione del momento angolare impone che il gas in rotazione si ponga in una orbita stabile intorno al nucleo senza caderci dentro. Questo fenomeno è noto in astrofisica come il problema del trasporto del momento angolare  e nasce, appunto, quando si tratta di spiegare i processi che stanno alla base della formazione dei pianeti e delle stelle:  Perché il gas degli accretion disk delle stelle possa cadere  e accumularsi sul nucleo in formazione, deve perdere energia, e poichè  non può diminuire la sua velocità di rotazione, deve per forza diminuire la sua temperatura man mano che si sposta verso il centro di rotazione.

Ci sono diverse ipotesi su quale sia il meccanismo che sposta il momento angolare verso l’esterno del disco di accrescimento, ma  ognuna di queste ipotesi non sembra riuscire ancora a risolvere il problema.

Il meccanismo secondo cui una massa di gas in rotazione tende a raffreddarsi al centro, come quello descritto dall’eR, potrebbe dare un impulso notevole alla velocità di crescita del nucleo gassoso all’interno della nuvola poiché andrebbe esattamente nella direzione di dissipare la temperatura prodotta dall’aumento di pressione, abbassare l’energia connessa all’equilibrio termodinamico e trasportare verso l’esterno il momento angolare complessivo del disco di accrescimento.[24][25]

Non è forse un caso che la maggior parte degli oggetti stellari in formazione all’interno delle nubi di gas conosciute anche come Globuli di Bok appaiono essere nuclei in rapida rotazione, gli stessi che danno origine a quei meravigliosi fenomeni  che sono gli oggetti tipo  Herbig-Haro.

Interessante a questo proposito è l’introduzione all’articolo di  S.A.Colgate e J.H.Buchler: Coherent Transport of Angular Momentum. The Ranque-Hilsch tube as a paradigm, [4]. dove si legge:
“Non è una esagerazione dire che il trasporto momento angolare è uno dei fenomeni più importanti e anche meno compresi  in astrofisica. Inoltre, il problema del momento angolare è onnipresente, non solo nella formazione delle stelle dalla nebulosa proto-stellare,  ma in particolare anche nel Sole e i pianeti, nelle galassie e i loro buchi neri centrali  (la nostra compresa), e  nelle sorgenti X alimentate da dischi di accrescimento. C’è semplicemente troppo momento angolare  iniziale. Non si e ancora acquisita una una piena comprensione di come esso sia trasportato verso l’esterno, velocemente e senza concomitante riscaldamento eccessivo, come indicato dalle osservazioni astronomiche, e dalla nostra stessa esistenza  su questo pianeta. […] La refrigerazione è il più drammatico effetto sperimentale del tubo di Ranque-Hilsch. Cercheremo di dare una spiegazione di questo effetto […] Con l’osservazione, la comprensione e la modellazione di questo fenomeno potremo avere in  laboratorio un  esempio del meccanismo più probabile dell’aumento di trasporto del  momento angolare in un disco di accrescimento kepleriano.”

In questa fase fase, l’intervento di un “cervellone” potrebbe fornire un aiuto eccezionale. Riuscire a fare un modello matematico con una trattazione rigorosa dell’evoluzione di un simile sistema, richiede una piena comprensione della fisica dello stesso, e questo mi sembra sia lontano a venire. Sarei lietissimo di vedere pubblicate su queste pagine i risultati di tale lavoro.

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