Lacavitazione è unfenomeno consistente nella formazione di zone divapore all'interno di un fluido che poiimplodono producendo unrumore caratteristico.[1] Ciò avviene a causa dell'abbassamento locale dipressione, la quale raggiunge latensione di vapore del liquido, il quale subisce così un cambiamento di fase agas, formandobolle (cavità) contenenti vapore.
La dinamica del processo è simile a quella dell'ebollizione. La principale differenza tra cavitazione ed ebollizione è che nell'ebollizione, a causa dell'aumento ditemperatura, la tensione di vapore sale fino a superare la pressione del liquido, creando quindi unabolla meccanicamente stabile, perché piena di vapore alla stessa pressione del liquido circostante; nella cavitazione, invece, è la pressione del liquido a scendere improvvisamente, mentre la temperatura e la tensione di vapore restano costanti. Per questo motivo la "bolla" da cavitazione resiste solo finché non esce dalla zona di bassapressione idrostatica; appena ritorna in una zona del fluido in quiete, la pressione di vapore non è sufficiente a contrastare la pressione idrostatica e la bolla da cavitazioneimplode immediatamente. La temperatura raggiunta all'interno di una bolla di cavitazione può essere molto elevata, tale da poter generare il fenomeno dellasonoluminscenza, ma per lungo tempo è risultata difficile da misurare.[2] Delle stime spettroscopiche valutano la temperatura che può essere raggiunta come simile (se non superiore) a quella dellafotosfera solare (la parte più fredda del sole).[3]
Il fenomeno può avvenire sulleeliche dellenavi, nellepompe, nelleturbine idraulicheFrancis[4] eKaplan e nel sistema vascolare delle piante. Affinché la cavitazione possa manifestarsi, occorre un substrato che agisca dacentro di nucleazione: può essere la superficie di un contenitore, impurità presenti nel liquido oppure altre irregolarità. La temperatura ha una notevole influenza sulla cavitazione, poiché altera la tensione di vapore. Se la temperatura aumenta, la maggiore tensione di vapore facilita la cavitazione. Si conviene usualmente di considerare unamacchina idraulica in fase di cavitazione quando o la portata, o laprevalenza, o la potenza generata diminuiscono di più del 3% rispetto a condizioni analoghe in assenza di cavitazione[senza fonte].[5][6] La cavitazione può essere utilizzata anche come strumento di pulizia. La sua capacità attrattiva permette una pulizia per asportazione che viene usata non solo in ambito militare, ma anche in ambito medico, con l'impiego di micro pulizie e chirurgia. Ultimamente è stata utilizzata per la pulizia di grandi superfici come quelle delle navi, soprattutto dalla marina militare statunitense.
La cavitazione è stata proposta come una spiegazione delloschiocco delle articolazioni (dita,polsi, ecc.).[7] Queste infatti sono tenute assieme da tessuti connettivi e legamenti. Nel nostro corpo sono presenti articolazioni sinoviali, circondate dalliquido sinoviale. Quando si piega o allunga il dito per far scrocchiare la nocca, si causa la separazione dell'articolazione, di conseguenza anche il tessuto connettivo che la circonda è tirato. Sollecitando questo rivestimento, il volume aumenta con un conseguente calo di pressione che coinvolge anche il liquido sinoviale, facendo diminuire la solubilità dei gas disciolti in esso, che quindi formano delle bolle attraverso il processo di cavitazione. Quando l'articolazione è distaccata abbastanza, la pressione si abbassa a tal punto da far collassare le bolle producendo il caratteristico suono. Ci vogliono dai 25 ai 30 minuti per far ridissolvere i gas nel fluido. Durante questo periodo le articolazioni non scrocchieranno, dopodiché la cavitazione sarà ancora possibile.[8]
In genere la cavitazione è un fenomeno indesiderato e fonte di problemi. In dispositivi come pompe ed eliche, la cavitazione provoca perdita diefficienza, emissione di rumore e danneggiamento dei componenti.[1]
Il collasso delle bolle da cavitazione infatti genera una grande quantità di rumore e un urto intenso: può danneggiare pressoché qualunque materiale scavandovi dei fori. Se si verifica spesso, questo fenomeno può ridurre la durata di eliche e giranti di pompe. Infine la cavitazione è causa diattrito eturbolenza nel liquido, il che comporta un ulteriore calo di efficienza.
Il collasso delle bolle provoca onde di shock, ossia onde di pressione che possono essere estremamente intense; inoltre, se l'implosione avviene vicino ad una parete solida, essa genera un microgetto liquido (impinging jet)[9] che erode il materiale costituente la parete e forma quelli che vengono chiamatipits erosivi[senza fonte].[10]
La cavitazione in aspirazione si ha quando la pompa aspira liquido in condizioni di bassa pressione, e si ha la formazione di vapore nella parte di ingresso dellapompa. Le bolle di vapore attraversano la girante, e quando giungono nella sezione di uscita, l'alta pressione qui presente ne causa la violenta implosione, che crea il caratteristico rumore, come se la pompa stesse facendo passare dellaghiaia. Ciò comporta una consistente erosione della pompa sia in aspirazione che in mandata, con conseguente diminuzione delle caratteristiche idrauliche. La tendenza di una pompa (o altro dispositivo) alla cavitazione è espresso dal concetto diNPSH (Net Positive Suction Head), in genere espresso in metri (sistema tecnico). In particolare l'NPSH(r) (acronimo per NPSH required) è caratteristico della pompa ed esprime il patrimonio energetico del fluido richiesto per l'attraversamento della porzione della pompa compresa tra la flangia di aspirazione e la prima girante (perdite di carico, energia cinetica, eventuale dislivello). L'NPSH(a) (acronimo per NPSH available), strettamente legato al circuito, esprime il patrimonio energetico del fluido al livello della flangia di aspirazione, decurtato della quantità Psat(T)/γ.[senza fonte] Per assicurare il funzionamento in assenza di cavitazione si dovrà avere che NPSH(a) > NPSH(r).
La tendenza alla cavitazione di una pompa, sostanzialmente, è correlabile ai seguenti fattori:
La cavitazione di scarico si manifesta quando la pressione di uscita della pompa è molto alta. Normalmente si verifica quando la pompa sta lavorando a meno del 10% delle sue condizioni di massima efficienza[senza fonte].
A causa della pressione elevata sull'uscita, la maggior parte del liquido ricircola nella pompa ed è costretto a passare ad alta velocità nello spazio tra la girante e lostatore. L'alta velocità induce la formazione divuoto (pereffetto Venturi) e la conseguente formazione delle sacche di vapore. Una pompa funzionante in queste condizioni è soggetta a rapidausura della girante e dello statore. Inoltre le condizioni di alta pressione favoriscono l'usura deicuscinetti e delle guarnizioni. In condizioni estreme si può avere larottura dell'albero.
Alcunimotori diesel più grandi soffrono dalla cavitazione a causa dell'altacompressione e delle pareti troppo sottili delcilindro.
Le vibrazioni della parete del cilindro inducono un alternarsi di alta e bassa pressione nelliquido refrigerante contro la parete del cilindro.
Il risultato è la formazione di "pits erosivi" sulla parete del cilindro che finisce per lasciare filtrare il refrigerante nel cilindro e i gas di combustione nel refrigerante.
È possibile prevenire il fenomeno con additivi chimici nel liquido di raffreddamento che formino uno strato di protezione sulla parete del cilindro. Questo strato protettivo sarà esposto anch'esso al fenomeno della cavitazione, ma si ricostituirà rapidamente.
La cavitazione può presentarsi nelloxilema delle piante vascolari quando la depressione dell'acqua è tale che l'ariadissolta in essa si separa e si espande fino ad occupare lacellula che costituisce il vaso o la trachea.
Le piante sono in genere in grado di ripristinare lo xilema interrotto, per esempio con l'aumento della pressione prodotta dalleradici, ma per alcune, come lavite, il danno può esserefatale.
In alcunialberi il rumore prodotto dalla cavitazione può essere udito.[11]
Ci sono casi in cui la cavitazione può essere sfruttata. Per esempio isiluri asupercavitazione usati in ambito militare si avvolgono in una grande cavità prodotta per cavitazione. In questo modo viene eliminato il contatto con l'acqua e il siluro può viaggiare a velocità molto elevate, anchesupersoniche (anche se sulla possibilità di superare lavelocità del suono in acqua, 5300km/h, non si hanno documentazioni certe). Tra i siluri che utilizzano la supercavitazione uno dei più noti è il russoVA-111 Shkval.
La cavitazione ha un uso pratico nei sistemi di lavaggio adultrasuoni, pergioielli, parti diorologi ed altri piccoli oggetti. In questo caso le implosioni delle bolle agiscono pulendo lesuperfici. All'interno dei tessuti biologici (corpo umano) il fenomeno, che produce la rottura di debolilegami intermolecolari, porta alla formazione diradicali liberi;[12] comunque la cavitazione è impiegata, in campomedico, confrequenze dionde sonore, comprese fra 1 e 16MHz, per l'effettotermico che riescono a produrre. Insonochimica costituisce un importante fenomenoenergetico che promuovereazioni chimiche. Da alcunianni (2002) la cavitazione viene impiegata anche nellamedicina estetica, e attraverso delle apparecchiature apposite, pare sia utile nell'eliminare o ridurre leadiposità (liposuzione non chirurgica) tecnica intralipoclasica non cruenta.[13]
Ilgambero pistola usa un artiglio specializzato per generare un effetto di cavitazione, che gli permette di uccidere piccolipesci.[14]
InStar Trek: Il film, la cavitazione è un difetto dellapropulsione a curvatura che porta alla deformazione delle onde e alla instabilità deicampi di integrità strutturale, e quindi alla distruzione della nave stellare se il processo non viene interrotto.
Nella serie TVStar Trek: Voyager la cavitazione è la propulsione prodotta dalla modifica delnucleo e delle duebobine di curvatura (vediGondola di curvatura) studiata per consentire alla nave stellareUSS Voyager di raggiungere la Terra in un tempo molto più breve; questa propulsione è resa instabile dalla grande massa dell'incrociatore leggero diclasse Intrepid quale la USS Voyager. Tale propulsione fu montata con successo, ma per un breve periodo, sulla navettaDelta Flyer.
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