Un fenomeno così disastroso come quello dei maremoti spaventa da sempre tutti gli abitanti del pianeta a causa degli effetti devastanti che questo fenomeno ha, negli anni, lasciato dietro di sé. Una speranza, però, si accende grazie agli studi dei fisici circa la propagazione delle onde e l’ipotetico assorbimento di quelle ad alta frequenza che rileviamo durante questi fenomeni. In un modello allestito con acqua vera, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un “assorbimento perfetto“. In tale assorbimento, le onde si annullano completamente mentre rimbalzano sulle pareti della cavità, con onde di una frequenza di 2,9 Hertz. La scoperta suggerisce la possibilità di progettare strutture per proteggere le coste o raccogliere l’energia delle onde in presenza di un maremoto.
Assorbire l’energia per limitare i maremoti
I ricercatori ritengono che l’effetto potrebbe essere utilizzato per ridurre l’erosione o proteggere le strutture sensibili utilizzando un array di elementi distribuiti vicino alle coste. “Siamo stati motivati dalla necessità di controllare o assorbire le onde nei fiumi o di proteggere le coste“, ha spiegato Agnes Maurel, fisica e matematica dell’ESPCI di Parigi. “Assorbire completamente l’energia delle onde è ancora meglio che reindirizzarla, e si può anche immaginare di raccogliere tale energia“, ha continuato Maurel. Ma, ottenere un assorbimento perfetto non è facile. Secondo conoscenze condivise, le onde d’acqua, di luce o di suono che colpiscono un oggetto, chiamato assorbitore perfetto, non vengono né riflesse né trasmesse: svaniscono.
L’assorbimento perfetto: l’esperimento di Maurel
Negli ultimi anni, i ricercatori che lavorano con le onde luminose o sonore hanno dimostrato qualcosa di molto vicino all’assorbimento perfetto. Tuttavia, nessuno ha ancora creato un assorbitore perfetto per le onde d’acqua del maremoto. Maurel e colleghi sono stati ispirati a tentare un nuovo approccio sulla base di un loro recente lavoro matematico. Hanno dimostrato che l’assorbimento perfetto potrebbe essere ottenuto progettando un particolare tipo di struttura risonante con cui le onde d’acqua in arrivo interagirebbero. Questo lavoro ha dimostrato che per le onde che viaggiano lungo un canale rettilineo, queste strutture, quando vengono eccitate da un’onda di passaggio, irradiano onde secondarie che annullano perfettamente le onde che vanno avanti e indietro.
Dalla teoria alla realtà
Maurel e i suoi colleghi hanno seguito una procedura in due fasi:
- hanno analizzato il modo in cui le cavità possono produrre una trasmissione nulla a particolari frequenze
- hanno messo a punto questa configurazione per produrre una riflessione nulla alle stesse frequenze.
Hanno considerato un canale d’acqua lungo 1,4 m, largo 6 cm e profondo 5 cm. Partendo dalle equazioni per un fluido ideale, che non ha perdite di energia dovute all’attrito, hanno dimostrato che due piccole cavità costruite sul lato del canale potevano fungere da camere di risonanza. I calcoli ipotizzavano che le due cavità fossero di dimensioni identiche, si allontanassero dalla parete del canale di 4 cm e si estendessero lungo il canale per 3 cm. Per le onde nella gamma di frequenze studiate dalla squadra di scienziati, questi calcoli prevedevano una trasmissione nulla a 2,7 e 3,3 Hz.
I test in laboratorio
Il gruppo di ricerca ha poi testato queste previsioni con onde d’acqua in laboratorio. In stretta corrispondenza con le aspettative, i ricercatori hanno riscontrato due cali nella curva trasmissione-frequenza: il primo quasi a zero e il secondo a circa il 40%. Le discrepanze con la teoria, secondo i ricercatori, riflettono le perdite per attrito nel fluido e le approssimazioni utilizzate nell’analisi. Questa disposizione non produceva un assorbimento perfetto a nessuna delle due frequenze, perché la riflessione era significativa. Ma, i ricercatori hanno scoperto che distorcendo le due cavità, facendo in modo che una si estendesse leggermente più lontana dalla parete del canale rispetto all’altra, potevano ottenere un assorbimento perfetto, ovvero a zero trasmissione e riflessione, a 2,9 Hz. Ciò ha richiesto una regolazione per tentativi ed errori della precisa asimmetria della cavità per far apparire gli zeri di trasmissione e riflessione esattamente alla stessa frequenza.
Applicazioni tecnologiche per il futuro
Maurel e colleghi sperano di sviluppare questa idea per poterla impiegare in un sistema pratico per proteggere le coste dall’erosione. “Il meccanismo che abbiamo dimostrato per le onde guidate può essere esteso a una sorta di cintura protettiva nel mare“, ha affermato Maurel. “È un lavoro importante“, ha detto Sebastien Guenneau, dell’Imperial College di Londra, esperto di propagazione delle onde in un’ampia gamma di applicazioni. “Le due cavità d’acqua strettamente distanziate comunicano e si comportano come i pistoni di un motore“, ha aggiunto Guenneau, che prevede applicazioni future della tecnologia per nuovi tipi di dighe che potrebbero contenere l’acqua con un rischio ridotto di sormonto. “Le strutture risonanti – ha concluso Guenneau – potrebbero anche essere utilizzate per raccogliere l’energia delle onde oceaniche“.
