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La cavitazione porta ad usura: il caso delle bollicine “mangiatrici di acciaio”

Il fenomeno della cavitazione è presente in vari settori dell’industria: dalle classiche macchine a fluido, come pompe e turbine, fino ad innovativi processi di produzione e tecnologie di alto livello, come nel caso dei siluri a supercavitazione. Vantaggiosa o svantaggiosa che sia a seconda del caso, la cavitazione è sicuramente qualcosa che non può essere trascurato dagli addetti ai lavori.

La fisica delle bolle cavitanti

La cavitazione non è solamente un fenomeno curioso, ma è anche molto importante in ambito tecnologico, perché influenza fortemente l’efficienza e la durabilità delle giranti di pompe, turbine ed eliche. Non a caso, ad ogni ingegnere industriale tocca incontrare almeno una volta il tema della cavitazione durante il suo percorso di studio.

Cavitazione
Elica rotante con annesse bolle di cavitazione all’estremità delle lame dove la velocità del fluido è alta e la pressione bassa. (REDDIT 2019)

La cavitazione, o più precisamente la cavitazione idrodinamica se parliamo di macchine che lavorano con l’acqua, avviene quando delle bolle di vapore inizialmente stabili si formano all’interno del fluido a causa di una locale riduzione di pressione (al di sotto della tensione di vapore del fluido) per poi implodere violentemente poco dopo, una volta raggiunta una zona a pressione più elevata. Per questo motivo è facile osservare delle bolle cavitanti nelle eliche in rotazione, in particolare sulle estremità delle lame, dal momento che nella zona più esterna dell’elica la velocità del fluido è maggiore e di conseguenza, come ci ricorda l’equazione di Bernoulli, la pressione è minore.

L’erosione per cavitazione

L’aspetto più sorprendente del fenomeno della cavitazione è che delle semplici bolle di vapore possono generare nel tempo enormi danni anche a grosse eliche d’acciaio. Ma vediamo in particolare come queste apparentemente innocue bollicine riescono ad erodere il materiale.

Cavitazione
Eliche con evidenti segni di danneggiamento per cavitazione, da notare la concentrazione del danno prevalentemente all’estremità dell’elica. (REDDIT 2019)

La cavitazione possiede due metodi principali di danneggiamento. Il primo sono le onde d’urto che si generano a partire dalla violenta implosione della bolla e che si propagano nel fluido fino a scaricarsi sul materiale, mentre il secondo è il microjet, un micro-getto di acqua che si abbatte sul materiale quando la bolla implode andando così a generare un colpo d’ariete. Tuttavia, il danneggiamento dovuto ai microjets risulta essere la principale causa di usura nei componenti sottoposti a cavitazione.

Nel secondo caso, l’implosione della bolla favorisce la formazione di un canale in cui l’acqua viene accelerata e raggiunge anche temperature molto elevate, seguito da un getto che si schianta sul materiale scaricando la sua energia cinetica sulla superficie con un colpo d’ariete. Il calore unito all’energia dello schianto, concentrati in un punto molto piccolo, fanno sì che anche una piccola bolla cavitante possa danneggiare localmente l’acciaio. Intendiamoci, ogni singola bolla contribuisce ad un danneggiamento microscopico, infatti, il danno sul componente è visibile ad occhio nudo solo dopo un periodo sostenuto di cavitazione.

Cavitazione
Schematizzazione della formazione del microjet a seguito dell’implosione della bolla cavitante. (NANOBUBBLES S.D.)

La cavitazione nella vita di tutti i giorni

La cavitazione non è solamente un qualcosa di indesiderato. Infatti, essa viene utilizzata attivamente in varie tecnologie avanzate, come nel caso dei siluri a supercavitazione. Questa tipologia di siluri sfrutta la cavitazione per creare una bolla di vapore intorno al corpo del siluro, così da separarlo dall’acqua e ridurre drasticamente la forza resistente dovuta a quest’ultima. Pensate che un prototipo russo è riuscito a raggiungere velocità intorno ai 370 km/h grazie a questa innovativa tecnologia!

Cavitazione
Siluro a supercavitazione, da notare la particolare forma dell’ogiva per favorire la cavitazione.

Oltre ad essere la base per tecnologie militari avanzate, la cavitazione è anche la responsabile di un curioso fenomeno che avviene quando si colpisce il collo di una bottiglia di vetro pieno di acqua. Sul web si trovano molti video in merito, ma il più interessante è forse quello pubblicato dalla nota youtuber Physics Girl in cui viene mostrato come la cavitazione sia all’origine della rottura del fondo della bottiglia in seguito al colpo.

Articolo a cura di Axel Baruscotti

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