Discussione: Sonoluminescenza

Nelle mie peregrinazioni matematiche ho trovato qualche fisico del passato che nel tentare di dare un modello statistico alla materia plasmatica incappò nella SONOLUMINESCENZA.

Avete dei modelli matematici da poter studiare?
Vorrei comprendere meglio il fenomeno.

E' lo stesso argomento trattato in questo forum, no? O sbaglio... A volte mi sento così distante dalla fisica che prendo lucciole per lanterne. Sonoluminescenza non è il fenomeno di radiazione luminosa che testimonia la fusione nucleare indotta da onde acustiche? Mi sebra d'aver capito che tutto parta da li, dalla cara vecchia equazione di Schrodinger...

Di più?

Edited by interalias - 23/5/2005, 22:58

Ciao a tutti,
ciao interalias. Anch'io sono alla ricerca di qualche modello sulla sonoluminescenza. Probabilmente non l'ho cercato con la dovuta convinzione, ma mi sembra che in argomento ci sia molto poco. Come dici tu parte tutto dal buon vecchio Shrodinger.
Di più ?? May be !
Se trovo qualcosa p.f. postalo qui, lo stesso farò io.
Ciao, Hike

Ciao Hike!

Vediamo di dare un ordine a questa discussione:

1) Cos'è la SONOLUMINESCENZA?
a) (interalias)
L'inquadratura fenomenologica la colloca tra le manifestazioni di radiazioni luminose visibili osservate in natura. A tal proposito citiamo le altre come la radiazione per incandescenza (termoionica), quella per combustione o reazione chimica, la bioluminescenza (generata da organismi viventi), la fosforescenza (stati eccitati di materiali contenenti fosforo, fluoro o iridio), e infine la interessante triboluminescenza derivante dalla rottura delle strutture cristalline nel materiali (es: provate a spegnere la luce e rompete un bel blocchetto di glucosio, anche una di quelle carammelle alla frutta di solo zucchero).
Se la SL fosse solo un modo per accendere la luce però non ci interesserebbe un granchè. Noi vogliamo capirne i fattori scatenanti e le loro interazioni, utili magari per arrivare a un processo diverso, come ad esempio la fusione nucleare o la generazione di calore (pompa idrosonica) con alte efficienze.[/U]

Edited by interalias - 24/5/2005, 16:50

b)(da Wikipedia)
La parola sonoluminescenza vuol dire luce dal suono ed è derivata dal latino sonus, che vuol dire suono, e dal greco lumos, luce. Il fenomeno consiste semplicemente in una piccola bolla di gas in un fluido che collassa rapidamente e può essere classificato in due modi differenti: SonoLuminescenza a Bolle Multiple (SLBM) e SonoLuminescenza a Bolla Singola (SLBS).

Nel 1933, N. Marinesco e J. J. Trillat trovarono che una lastra fotografica era stata annebbiata dall'immersione in un liquido che era stato agitato dagli ultrasuoni: venivano scoperte le SLBM. Un anno più tardi, H. Frenzel e H. Schultes, dell'Università di Colonia, riuscirono a riprodurre una luce debole ma visibile nell'acqua utilizzando gli ultrasuoni. I due studiosi cercarono di spiegare il fenomeno da loro osservato suggerendo che fosse un fenomeno elettrico causato dal moto delle bolle, quindi lasciarono perdere i loro studi, in quanto, in quei tempi di guerra, non erano utili alla marina.

Le SLBMsono molto difficili da studiare: emettono luce per pochi nanosecondi e sono in costante movimento; le ricerche erano pertanto limitate dagli intervalli temporali e spaziali tipici di queste nubi di bolle. Nel 1988, però, H. G. Flynn realizzò un modello teorico del moto acustico della bolla. Con queste informazioni D. F. Gaitan trovò le condizioni richieste per ottenere la sonoluminescenza da una bolla singola, SLBS.

SLBS è molto più facile da studiare, poiché è una bolla singola, stazionaria, ad essere intrappolata in una boccetta. Questa bolla può essere estremamente stabile e incandescente per diversi minuti, rendendo possibile studiare sia la bolla stessa, sia la luce emessa. Subito dopo la sua scoperta, Gaitan perse qualsiasi interesse nella sonoluminescenza, e la ricerca venne proseguita dal dr. Seth Putterman all'UCLA. Putterman ha pubblicato diversi articoli sull'argomento e determinato molte delle caratteristiche note della SLBS. Una bolla singola è molto più brillante di un SLBM rendendo gli studi spettrali più semplici.



Il fenomeno, comunque, è ancora poco noto a causa dei molti modelli teorici proposti.

Edited by interalias - 24/5/2005, 16:47

L'ESPERIMENTO:


Innanzitutto è necessario bloccare una bolla d'aria: la boccetta di liquido al cui interno si svolgerà l'esperimento dovrà vibrare ad una frequenza di risonanza naturale. In questo modo si riesce a stabilizzare il campo acustico al cui interno andrà a riposare la bolla.



Dopo aver determinato la frequenza di risonanza della boccetta, esplorando una vasta gamma di frequenze, bisogna eliminare alcuni processi che potrebbero alterare i risultati e il buon esito dell'esperimento: si opera, quindi il degassaggio dell'acqua. Questa operazione è assolutamente necessaria, poiché la bolla non rimbalza passivamente. Quando la bolla è giunta alla sua massima estensione ha una pressione molto bassa, l'aria quindi si diffonde attraverso la superficie della bolla e nella bolla; per contro quando è piccola la bolla perde aria.



La diffusione dell'aria deve essere all'equilibrio, per poter mantenere la bolla stabile: in caso contrario la bolla scompare, o per contro cresce fino a volare via. Per creare tale equilibrio, la pressione parziale dei gas presenti nell'acqua deve essere ridotta:


l'acqua viene fatta bollire con il semplice innalzamento della temperatura: questa operazione allontana i gas, ma lascia caldo il liquido;

l'acqua viene bollita a temperatura ambiente o a una più bassa, riducendo la pressione dell'aria cui questa è a contatto: quando la pressione diminuisce l'acqua bolle proprio come prima.


Purificata l'acqua e versatala nella boccetta, bisogna creare una bolla al suo interno: si può, ad esempio, far cadere una piccola quantità d'acqua sopra quella nella boccetta - sono molti i pareri sul modo di fare tale operazione: alcuni ritengono che vada fatto velocemente, altri gentilmente, altri ancora aggirano il problema utilizzando una serie di tostapani per avere bolle di vapor acqueo (queste bolle non restano come vapor acqueo, ma nello stesso modo in cui questo diffonde in un liquido, alcuni gas si diffondono nella bolla, che quindi resta tale).



La bolla, una volta creata, per poter emettere una scintilla, deve essere bloccata. A questo punto, per poter osservare la piccola luce prodotta, vengono utilizzati due strumenti: il fotomoltiplicatore e l'occhio umano. Tra i due, l'occhio umano non è lo strumento migliore, poiché non porta memoria dell'evento, che può essere registrato ed esaminato meglio con uno strumento esterno come il fotomoltiplicatore.



Nell'istante dell'emissione, la bolla ha un diamentro inferiore al micron e sta collassando così rapidamente che anche pressione (>>1) e temperatura effettiva (T>10000 K) stanno cambiando molto rapidamente, tanto che sia le teorie standard sia le tecniche sperimentali non sono in grado di dire quali sono le condizioni che si combinano insieme per produrre i lampi osservati.



I dati spettrali hanno fornito interessanti informazioni sulla sonoluminescenza: gli spettri hanno spesso mostrato un incremento dell'intensità negli UV, a volte anche con un picco nelle vicinanze di tali frequenze. Quando si confrontano con la distribuzione di Planck per la radiazione del corpo nero, questi spettri indicano temperature per la sorgente che vanno da 10000 K fino a 25000 K, o anche maggiori.



Per avere un'idea della durata della luce, si può fare un semplice calcolo utilizzando la legge di Stefan-Boltzman.

A Δt T^4 = 8,46 · 10^2 cm^2 s K^4

dove T è la temperatura effettiva della sorgente in Kelvin. Questa semplice equazione consente di legare alcune grandezze fondamentali per il fenomeno. Ad esempio, per una bolla con una superficie A per una sfera di 1 micron e con un intervallo di tempo di durata per la sorgente pari a Δt=50 ps, si ottiene una temperatura T=10000K, che è consistente con uno spettro di corpo nero. Misure con tempi o superfici inferiori hanno prodotto sorgenti a temperature maggiori.



Infine nella bolla non è presente solo aria, ma anche un gas nobile, che per caratteristiche evita alla bolla imperfezioni facendo in modo che la sua forma sia il più sferica possibile, oltre a rendere il segnale luminoso più brillante.

Edited by interalias - 24/5/2005, 16:56

I MODELLI PROPOSTI:

Ci sono diverse teorie che hanno cercato di spiegare questo fenomeno e descriverne i meccanismi, tutti con diversi punti a loro favore. Nessuna di queste teorie ha, però, spiegato completamente tutte le proprietà della sonoluminescenza. Sei tra queste sembrano avere avuto un maggiore successo:


-l'onda di shock;

-la formazione di jet;

-la solidificazione ad alte pressioni;

-l'emissione indotta da collisione;

-la scintillazione dei gas;

-la radiazione di vuoto quantistica.


Tutte le teorie, pur essendo valide, non riescono a spiegare completamente tutte le proprietà della sonoluminescenza. Di ognuna viene data, nelle sezioni seguenti, una più o meno breve descrizione.

per approfondire le teorie si leggano intanto i principi fondativi al seguente link:

Teorie sulla SL

La strada che propongo di percorrere è quella delineata già dagli esperimenti più recenti che mettono in luce i legami tra la teoria termoacustica e la meccanica ondulatoria della SL.

Vediamo di approfondire la conoscenza delle teorie sopracitate, raccogliamone i pro e i contro e tentiamo una unificazione. OK?

Non è facile ma qualche matematico chimico fisico e ingegnere insieme potrebbero darci una risposta...proviamoci!

Ehilà Interalias,
sei scatenato !
Grazie per le informazioni e per i links, li avevo letti, anche se molto distrattamente. Approfondirò, spero presto.
Sono interessato alla sonoluminescenza per la generazione di calore in acqua. Ho da poco consegnato ad una officina i primi disegni di una pompa idrosonica. Molti dei "dettagli" sono supposti e da sperimentare.
Il perchè della sperimentazione è la misura dell'efficienza e la verifica di altri importanti parametri, fondamentali per l'applicazione che ho in mente.
E' tutto vero quello che si legge sul web riguardo l'efficienza complessiva del dispositivo? Non mi convincono i dati che vengono riportati perchè le pompe che ho visto fanno uso di motori induzione asincroni, che al massimo del loro splendore rendono forse il 60%. Che forse il fenomeno non sia dovuto alla sola SL, ma anche ad altro ?
Vedremo...... forse !!
Ti saluto, Hike

E' vero fino ad un certo punto. Vero fino a che serve per vendere la macchina e fino a che la macchina non dia troppo fastidio agli oligarchi dell'energia. Non lo sapremo mai senza sperimentazione diretta.

La pompa idrosonica è una macchina estremamente semplice che penso sia persino notevolmente migliorabile nella elaborazione della Hydrosonic. Mi stupisce però che tante persone si siano interssate al fenomeno della sonoluminescenza che rende solo una piccola parte dell'energia termica nella pompa. In realtà dovremmo tornare tutti un po' a scuola, quando ci insegnavano che è la cavitazione la vera responsabile dell'apporto di calore a causa dell'ebollizione che induce localmente. In regime subsonico con le equazioni di Eulero fila tutto lisco, è dopo che non sappiamo bene cosa accada! Per non parlare poi dell'apporto dell'attrito fluidodinamico!

La SL è un fenomeno che può avere anche solo una caratterizzazione statistica. Nel senso che in certe condizioni limite è più probabile che accada.

Se però sei già sull'orlo della sperimentazione, prosegui e fammi sapere...

Ciao a tutti,
interalias per risponderti mi tocca passare qui nel forum più tempo di quanto realmente non possa.
Non ho capito i tuoi primi tre periodi. Ma non fa nulla.

Quando dicevo che probabilmente c'è qualcos'altro, mi riferivo proprio alla cavitazione. Ma questo lo voglio vedere "de visu".

Quando dicevo che c'è qualcosa che non va nel rendimento, volevo intendere che non sono molto convinto che i numeri siano quelli che circolano. Ma questo lo voglio vedere "de visu".

Anch'io penso che la SL ha caratterizazzione statistica, era quanto intendevo quando scrivevo di "altri importanti parametri". Ma questo..... (vedi sopra !!).

Più che sull'orlo della sperimentazione, sono sull'orlo di una crisi dipendente dai tempi di consegna biblici degli artigiani tornitori; aspetto infatti da 4 settimane dei particolari di un motore stirling.
Non so dove abiti, ma se sei interessato alla sperimentazione (e non hai fretta) e a discorrere del contributo dell'attrito fluidodinamico, ti posso certamente far sapere quando parte il testing.
Ti saluto,
Hike
PS Esistono già numerose varianti alla pompa idrosonica di Griggs, ma questa rimane la macchina più semplice e la più "conveniente" per una prima analisi e sperimentazione.

Ciao Hike!

I miei primi tre periodi del mio ultimo post dicono solo che anche la Hydrosonic la racconta un po' come vuole per vendere di più. Dall'altra è pur vero che se certe macchine possono essere brevettate è perchè non si parla chiaramente di overunity e di fonti energetiche che andrebbero esplorate meglio, per paura di censura od ostruzionismo da parte delle lobby energetiche. Paranoia? Non credo.

Riprendiamo i fili del discorso...

Volevamo trovare una spiegazione teorica della SL.

Si dovrebbe stare non poco a rimuginare su tutte le teorie sopra elencate per cogliere ciò che le accomuna e le rende plausibili. Un sforzo analitico enorme, necessario per interpretare i risultati, ma non foriero dei risultati stessi come la sperimentazione. Per questo, tienimi aggiornato. Insieme, provando e interpretando, potremmo arrivare a un modello matematico che possa svelare le cause e gli effetti della SL.

Edited by interalias - 24/5/2005, 23:45

Ho in mente qualche ipotesi che vorrei discutere:

1)La parte di energia termica prodotta dalla poma idrosonica imputabile a SL è molto piccola.
=>cerchiamo di capire meglio quali sono i meccanismi che esaltano la cavitazione e l'attrito fluidodinamico.

2)La SL ha una caratterizzazione statistica nelle pompe che lavorano a regime subsonico.
=>localmente si formano condizioni ultrasoniche in cui è più probabile che s'inneschi SL.

3)SL come reazione a catena innescata da un eccesso di energia in un punto per sovrapposizione di effetti Doppler.
=>discussione di un nuovo modello matematico.

Hi brains, semper fly!

Interalias

Ciao interalias,
sono daccordo sulle prime due ipotesi (in particolare sulla prima). Non ho capito la terza, se di sovrapposizione per Doppler si tratta, non credo sia corretto parlare di 'un punto' ma di una serie di punti. In ogni caso è interessante.
Inoltre non so se può essere utile, l'idea della pompa di Griggs (a suo dire) nasce quando, lui responsabile della posa del circuito idraulico di grossi stabili, nota che alcune condotte sono calde al tatto. Chiede quindi alla squadra di operai chi avesse fatto passare acqua calda. Gli addetti rispondono che l'acqua calda non è ancora disponibile, ma che per tutta la mattina alcune di quelle condotte erano state interessate a fastidiosi colpi di ariete.
Che fine fa il contributo della cavitazione ?
Ciao,
Hike

Hike, a proposito di sperimentazione! Se ti va posso dare un'occhiata al progetto? Intanto mi riservo un po' di tempo per documentarmi meglio di termoacustica. Avrei già un suggerimento da proporti ma potrebbe essere una cavolata enorme. Mai pensato a un sistema idrociclonico, mi ricorda qualcosa di molto interessante di ingegneria dei materiali...

Edited by interalias - 25/5/2005, 00:35

Interalias, daccordo.
Ora sono in giro per l'Europa con il portatile e non ho qui con me i files. Appena torno in studio (prox settimana) te lo invio.
Purtroppo sistema idrociclonico non mi dice nulla, meno che meno se penso ad ingegneria dei materiali.
Ciao, Hike

Hei, Hike, questa chicca non la conoscevo, molto interessante!!! Questi frammenti di vita vissuta mi mancano veramente troppo. Permettono di capire con poco quale sia la direzione giusta da studiare... colpi d'ariete! Adesso ci penso...un attimo...ok:

colpo d'ariete = è un'altra causa di generazione termica.
Non dimentichiamoci che attrito, cavitazione e SL si sommano non si escludono! Sommiamo anche questa.

Mi viene da pensare che sì, la cvtz non centra nulla. Solo perchè però è l'effetto allora opposto dello stesso fenomeno:

la variazione improvvisa di densità!!!

L'onda di pressione, che viaggia con la velocità del suono nel mezzo, in un sistema molto grande per una sola dimensione (lunghezza) non fa in tempo a "toccare tutti i confini e tornare indietro" . Ad esempio un pistone che da il colpo d'ariete potrebbe variare la densità del fluido in un tempo così limitato da creare effetti di attrito viscoso notevoli che si riperquotono lungo il condotto esaltati dall'effetto Doppler (esistente per il trasporto di massa causato dalla variazione della densità)!!!!

Forse il cerchio si chiude. Molte cose tornerebbero, soprattutto se la sezione calda del tubo saggiata da Griggs si trovasse spesso fuori, ai piedi di edifici molto alti, anche a distanze notevoli.

Qualcosa si muove nella mia testa, spero che mi faccia dormire ugualmente....

CITAZIONE (hike @ 25/5/2005, 00:50)

Purtroppo sistema idrociclonico non mi dice nulla, meno che meno se penso ad ingegneria dei materiali.
Ciao, Hike

Beh, non era certo per vantarmi. Non veniva in mente anche a me! Perrrrò, adesso,... ssi. Ricordo molto vagamente che era un sistema per la vagliatura della pezzatura mista proveniente dalle cave. L'idrociclone! Ecco. Veniva iniettato il fluido tixotropico, contenente la sospensione da filtrare, in direzione tangenziale alle pareti del contenitore conico. Si instaurava un regime vorticoso con correnti discensionali all'esterno (per trascinare il grossolano) e ascensionali all'interno (per il fino).

Cmq potrebbe non servire a niente ma la butto li perchè tutto può servire per generare un opportuno regime di turbolenza, meglio se già modellato dalla matematica...

Hi brains, semper fly!

Interalias,
idrocilcone ?? Tixotropico ??
L'acqua non ha proprietà tixotropiche.
Buonanotte
Hike

QUOTE (hike @ 25/5/2005, 01:26)

Interalias,
idrocilcone ?? Tixotropico ??    
L'acqua non ha proprietà tixotropiche.
Buonanotte  
Hike

Hai ragione, forse non serve a nulla, ma quando penso che la forma più comune nell'universo di dispersione energetica sono i vortici, mi sono ritrovato con l'idrociclone sulla punta della lingua. Diciamo che ho solo sternutito....

E sì, l'acqua da sola non ha proprietà tixotropiche, ma non mi riferivo all'acqua. Il mio era un esempio esplicativo dell'idrociclone, nel quale l'acqua ovviamente non viene innestata da sola ma come vettore della pezzatura. La miscela acqua solido in sospensione e sospensione colloidale (carbone ad es.) acquista invece molto spesso proprietà tixotropiche.

Fluidi tixotropici non ci servono certamente, ma se l'idrociclone funziona bene proprio con quelli, potrebbe essere che con quelli visco...plastici (? aiutami tu non me lo ricordo, è passato molto tempo,, quelli per cui la viscosità aumenta nel tempo), generi molto attrito fluidodinamico. E quest'aspetto si potrebbe sfruttare...

Ho buttato li anche questa; sicuramente avrai più competenza di me in fluidodinamica mi fido se mi dici che non servirebbe a nulla.

Mi piace questa conversazione, la trovo molto stimolante!

Ciao Hike.

Edited by interalias - 25/5/2005, 11:09

Hi all.
Ciao interalias.
Non intendevo cassare quella su l'idrociclone, ma non riesco ancora a vedere un grande nesso con l'applicazione in questione.
Per quanto riguarda i fluidi che acqistano viscosità col tempo, credo che tu intenda quelle soluzioni colloidali che proprio per tale proprietà sono dette 'evolutive'.
Purtroppo l'applicazione che sto sviluppando deve lavorare con fluido acqua, la cui viscosita ha minimi scarti nel range di temperatura di utilizzo (e forse per fortuna).
La fluidodinamica, le mie conoscenza sono molto 'antiche' (ho la mia età) e ormai più basate su applicazioni concrete che accademia.
A proposito, visto che ti stai interessando così tanto all'argomento pompa idrosonica, ti risulta che questa abbia necessità di tempi di 'innesco' nella generazione di calore e di andata a regime stranamente lunghi ?
E' un dubbio nato dalla lettura tra le righe di documenti qui sul web. Lo chiedo anche al buon ArnadoDePara che è l'unico, che io sappia, ad aver toccato con mano una idrosonica.
Hike

CITAZIONE (hike @ 25/5/2005, 11:21)

Non intendevo cassare quella su l'idrociclone, ma non riesco ancora a vedere un grande nesso con l'applicazione in questione.

Il nesso forse è un po' troppo superficiale. Io pensavo che sagomando in modo opportuno la superficie del rotore nella pompa si potesse istituire un moto ciclonico che esaltasse la cavitazione in modo molto più efficace della soluzione adottata da Griggs.

La costruzione di un tale rotore potrebbe mettere in luce quanta parte dell'energia termica è prodotta per cavitazione e quanta per attrito fluidodinamico. NO? non è un'idea? Sarebbe un bel passo, almeno dal punto di vista teorico.

Il brevetto stesso di Griggs e gli schemi che ho trovato (devo approfondire meglio, ma moooolto meglio) non danno indicazioni a tal proposito. Le sagome sembrano stimolare in parte l'attrito e in parte la cavitazione, localmente faranno anche da cassa armonica per un pochino di SL.

La diversa partecipazione, dei tre fenomeni sopracitati, alla produzione di calore e sicuramente la chiave di volta per la progettazione di una pompa migliore. Magari la facciamo noi, made in Italy!

Ribadisco cmq, dal mio punto di vista, che senza un modello teorico più chiaro, che riesca a unificare se possibile, i tre fenomeni, non si va molto lontano...

Lo studio deve martellare sul ferro e sulla carta.

Edited by interalias - 25/5/2005, 13:13

Ciao interalias,
si, ci può stare.
Io pensavo di lavorare sulla temperatura dell'acqua: che io sappia sopra i 70-80 °C la cavitazione quasi scompare.
Risulta anche a te ? Se si, è abbastanza facile pesare il contributo delle due componenti (attrt e cvtz; anche se credo, come dicevi, che siano ben più di due).
Hike

Be' non direi proprio che scompaia. Anzi se possibile aumenta le sua probabilità di manifestarsi, e di brutto anche.
70-80 °C non sono poi coì distanti dal pto naturale di ebollizione dell'acqua. La pressione certo, dipende tutto da quella. Nella camera del fluido però (soprattutto se grandicella) si è a regime di pressione variabile intorno a 1 atm. Non esistono da quel che ho visto valvole, no? Nella tua sì?

Potremmo dire però che se le pareti statore-rotore sono molto vicine, si vengono a creare condizioni fortemente variabili nel tempo e con gradienti di pressione che permettono che tutto accada (SL, attrito, cavitazione).

Un'altra osservazione può essere fatta. La tua pompa potrebbe lavorare senza o con poca cavitazione se installata con forte sottobattente. Ti consiglierei di testarla a quote diverse rispetto al bacino idrico che l'alimenta (primo piano di un edificio, secondo, terzo...).

Hi interalias,
scusa ho scritto veramente male: l'intensità di cavitazione aumenta con la temperatura, ma sino a 70°C; dopo non cresce più fino alla temperatura di ebollizione dell'acqua. Sorry.
Non ho previsto valvole. Quello della pressione è una prova che vorrei fare.
Sarebbe importante per la comprensione (ribadisco) approfondire se esiste quel periodo di scarsa efficienza iniziale. E' dovuto allo scarso apporto della cvtz ?
Sono daccordo con il metodo del "ferro e della carta".
Hike