Cavità ai lati di un canale d’acqua possono causare il completo assorbimento delle onde
Verso nuove tecniche per proteggere le coste e gli argini
[28 Novembre 2023]
Se le onde di acqua, luminose o sonore dovessero incidere su un ipotetico oggetto “perfetto assorbitore”, non verrebbero né riflesse né trasmesse; semplicemente svanirebbero. Ora, lo studio “Perfect resonant absorption of guided water waves by Autler-Townes splitting”, pubblicato su Physical Review Letters da un team di ricercatori francesi e britannici ha dimostrato un perfetto assorbimento utilizzando le normali onde dell’acqua che si spostano no lungo uno stretto canale e sottolineano che «Le onde vengono cancellate dalle loro stesse riflessioni provenienti dalle cavità costruite sul lato del canale». I ricercatori ritengono che «Con un ulteriore sviluppo, l’effetto potrebbe essere utilizzato per ridurre l’erosione o proteggere le strutture sensibili utilizzando una serie di elementi dispiegati vicino alle coste».
Una delle autrici dello studio, la fisica matematica Agnes Maurel dell’ESPCI Paris, spiega in un’intervista concessa a Mark Buchanan su Physics che «Siamo stati motivati dalla necessità di controllare o assorbire le onde nei fiumi o di proteggere le coste. Assorbire completamente l’energia delle onde è ancora meglio che reindirizzarla, e si può anche immaginare di raccogliere tale energia».
Ma ottenere un assorbimento perfetto non è facile. Negli ultimi anni, i ricercatori che lavorano con le onde luminose o sonore hanno dimostrato qualcosa di molto vicino all’assorbimento perfetto. Ma nessuno ha creato un assorbitore perfetto per le onde di acqua.
IL team guidato da Leo-Paul Euvé del PMMH, ESPCI Paris, Université PSL, Sorbonne Université e CNRS ha provato questo nuovo approccio basandosi sul recente lavoro matematico del gruppo della Maurel, che sul tema nel 2022 ha pubblicato lo studio “Modeling Autler-Townes splitting and acoustically induced transparency in a waveguide loaded with resonant channels” ha dimostrato che l’assorbimento perfetto potrebbe essere ottenuto progettando un particolare tipo di struttura risonante con la quale potrebbero interagire le onde d’acqua in arrivo e dimostrando che «Per le onde che viaggiano lungo un canale rettilineo, queste strutture, quando eccitate da un’onda passante, irradierebbero onde secondarie che annullerebbero perfettamente le onde che vanno sia in avanti che all’indietro».
Per dimostrare questa teoria nella pratica, il nuovo studio ha seguito una procedura in due fasi: prima hanno analizzato come le cavità possono produrre una trasmissione zero a frequenze particolari, poi hanno messo a punto la configurazione per produrre la riflessione zero a quelle stesse frequenze. Hanno considerato un canale d’acqua lungo 1,4 metri, largo 6 centimetri e profondo 5 cm. Nei calcoli preliminari, partendo dalle equazioni di un fluido ideale, ovvero senza perdite di energia dovute all’attrito, hanno dimostrato che «Due piccole cavità costruite sul lato del canale potrebbero fungere da camere di risonanza necessarie». Questi calcoli presupponevano che le due cavità fossero di dimensioni identiche, estendendosi dalla parete del canale di 4 cm e estendendosi lungo il canale per 3 cm. Per le onde nella gamma di frequenza studiata dal team, questi calcoli prevedevano una trasmissione zero a 2,7 e 3,3 Hz.
Poi, il team di ricercatori ha testato queste previsioni con le onde dell’acqua in laboratorio e, con una forte corrispondenza con le previsioni, ha trovato due cali nella curva trasmissione-frequenza: il primo quasi fino allo zero e il secondo fino a circa il 40%. I ricercatori dicono che «Le discrepanze con la teoria riflettono le perdite per attrito nel fluido e le approssimazioni impiegate 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 estendere una leggermente più lontano dalla parete del canale rispetto all’altra, potevano ottenere un assorbimento perfetto – trasmissione e riflessione pari a zero – a 2,9 Hz. Ciò ha richiesto alcuni aggiustamenti per tentativi ed errori della precisa asimmetria della cavità per convincere gli zeri nella trasmissione e nella riflessione ad apparire esattamente alla stessa frequenza.
I ricercatori sperano di sviluppare questa idea per realizzare un sistema pratico per proteggere le coste dall’erosione e la Maurel evidenzia che «Il meccanismo che abbiamo dimostrato per le onde guidate può essere esteso a una sorta di cintura protettiva nel mare».
Sébastien Guenneau dell’Imperial College di Londra, esperto di propagazione delle onde che non ha partecipato allo studio, ha commentato: «Si tratta di un documento importante. Le due cavità d’acqua ravvicinate comunicano tra loro e si comportano come i pistoni di un motore perché i loro livelli d’acqua tendono a oscillare esattamente fuori fase. Prevede applicazioni come nuovi tipi di dighe che potrebbero contenere acqua con un rischio ridotto di tracimazione. Le strutture risonanti potrebbero anche essere usate per raccogliere l’energia delle onde oceaniche».