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Titolo: Perchè quando qualcosa affonda si crea un risucchio?

Leggendo un passo della cronaca ormai nota della tragedia del Titanic mi è 
sorta questa domanda:
    perchè quando qualcosa affonda (in questo caso una nave) si crea un 
risucchio?
Qual è la fisica che sta alla base di questo fenomeno?
Il passo è il seguente:
2:20
La nave si stava inclinando sempre di più e la tremenda pressione esercitata 
fece sì che dopo essersi spente le luci, lo scafo si spezzasse in due 
tronconi tra il terzo e il quarto fumaiolo. La parte di prua, più pesante 
affondò subito e poco dopo toccò alla parte di poppa che prima tornò al suo 
posto poi si innalzò verticalmente per poi inabissarsi nelle buie acque. Le 
persone che affondarono con la nave e quelle che furono trascinate dal suo 
risucchio si suppone siano morte quasi subito, mentre le altre che 
indossando i giubbotti di salvataggio riuscivano a restare a galla morirono 
non certo per affogamento, vista la calma delle acque, ma per ipotermia dato 
che la temperatura dell'acqua si aggirava tra gli 0° e i 2° C. 


[..]
Ciao, Dario,
sono perplesso, ma davvero si crea questo risucchio? Ci sono evidenze
testimoniali precise che persone non intrappolate nella nave, siano
decedute a causa di esso? Non conosco abbastanza la vicenda per
poter giudicare, ma ad occhio mi pare che quello del risucchio dovuto ad
una nave che affonda sia un mito, anche se capisco che col freddo, lo
shock, il buio, ecc., anche un piccolo effetto di aspirazione che si
aggiunga a "questo poco" può facilmente rivelarsi letale.
Comunque i meccanismi  che mi vengono in mente sono tre:
1) quando la nave affonda, porta con sè molta aria, che esce da finestre,
fumoliere,  prese d'aria, in forma di bolle, ed il cui posto viene dunque
preso dall'acqua. Si crea così un flusso di acqua verso la nave. Questo
effetto si aggiunge ad  un altro che è l'unico presente per un corpo rigido
ed impermeabile che si muove in un fluido ideale: quando il corpo avanza
nel fluido, l'acqua  che gli si para di fronte nel suo moto deve "spostarsi"
per "farlo passare"  ed andare ad occupare lo spazio che il corpo "lascia
libero" dietro di sè. La presenza di una scia dietro un corpo che si muove
in un fluido reale complica le cose, ma comunque chi sta sopra la nave è
spinto verso di essa, anche se chi stava sotto la nave viene inizialmente
spinto verso l'alto.
Già solo risalire questi flussi d'acqua diretti verso la nave può essere un
casino, nelle suddette condizioni. In più le bolle d'aria che risalgono in
un certo senso abbassano localmente la densità del fluido in cui uno si
muove, cioè il galleggiamento è ridotto. E pure questo non aiuta.
2) Un altro possibile meccanismo è legato alla generazione di vortici di
scia.
Quando un corpo tozzo si muove in un fluido, per certi intervalli del numero
di Reynolds si genera una scia di vortici dietro il corpo, che sono quasi
stazionari rispetto al fluido indisturbato, cioè restano dietro rispetto al
corpo. Questi vortici presentano ovviamente una pressione che decresce
verso il loro asse, ergo particelle ad assetto positivo (galleggianti, come
le persone con giubbotti salvagente o polmoni pieni d'aria) sarebbero
trattenute al loro interno invece di galleggiare verso l'alto. Peccato che
il caso della nave  sia molto più complicato: il numero di Reynolds è
altissimo, per cui il moto è turbolento e di certo si generano dei vortici,
ma con una struttura molto complessa e difficile da indagare. Inoltre
l'intensità di questi vortici è legata alla velocità con cui la nave
affonda: dato che questa credo sia molto bassa, per via dell'aria, della
notevole resistenza idrodinamica dovuta alla forma irregolare, ecc., si
potrebbero generare vortici anche "poco intensi", ed a meno di non
finire vicini al centro, dove le velocità i gradienti  di pressione sono
alti, non è detto che  l'effetto di "cattura" sia pericoloso.
3) Una combinazione di 2) e 3) potrebbe forse essere il problema principale.
Il flusso radiale di acqua diretto verso la nave, dovuto al fatto che l'aria
se ne va sotto forma di bolle, porta vicino la nave delle particelle di
fluido molto lontane, che avranno una velocità tangenziale, sia pur piccola,
ed un momento angolare (rispetto alla "retta" verticale lungo cui la nave
affonda) L = r*V_t*rho dove r è la distanza dall'asse, V_t la componente
tangenziale della velocità e rho la densità dell'acqua. Quando una
particella si avvicina alla nave,  essa conserva in buona parte il suo
momento angolare (chiediti perchè). Avrai  allora velocità molto alte vicino
alla nave, cioè si crea un  vortice. Stavolta la vorticità  potrebbe essere
maggiore, e la somma di gradienti di pressione diretti verso l'asse del
vortice, gradienti di pressione diretti verso la nave per via del flusso
radiale, ed  alte velocità vicino l'asse e vicino agli ingressi di acqua
nella nave,  potrebbero causare seri problemi a qualcuno che si trovi
a dover risalire questo poco.
E' ovvio che solo parte di quest'acqua finisce veramente dentro la nave:
la maggior parte fa dei "giri in tondo" attorno alla nave. Se però resti
sotto per un tempo sufficiente, è magra consolazione sapere che dopo
potresti tornare su....
Insomma tutti questi sono meccanismi plausibili, ma dato che la velocità con
cui la nave affonda è bassa, e che tale velocità è legata alla quantità di
vorticità generata, credo che, escluso il flusso d'acqua entrante dovuto a
porte, finestre ecc. (che diviene davvero impetuoso solo molto vicino alla
nave) per il resto non ci dovrebbe essere un risucchio molto pericoloso. In
realtà il caso reale è complicato, e richiederebbe per essere simulato bene
dei numeri di Reynolds molto alti e degli oggetti forati (se pensate che
buttare una biglia di ferro in un bicchiere vi aiuti a capire cosa succede
siete del tutto fuori  strada). Perciò non so darti una risposta affidabile.
Ciao,
Andrea

Risposta molto qualitativa ma credo sia corretta....
Tenendo presente che in un campo fluido, in presenza di un gradiente di
carico piezometrico h=(pressione + quota rispetto a un riferimento
orizzontale) si ha spostamento di fluido dalle zone con h più grande a
quelle con h più basse.
Così se ora immagini a quello che succede a un corpo che per qualche ragione
si muove in un fluido (ad esempio un'auto che viaggia) nella parte anteriore
dell'auto la pressione aumenta, in quella posteriore diminuisce.
Quindi tornando al titanic che affonda, appena è finito sotto la superficie
del mare e continua a muoversi con una certa velocità la pressione dietro di
lui (o meglio sopra di lui) dovrà diminuire.
Considerando un volumetto d'acqua in prossimità della superficie vicino il
titanic: esso avrà una certa quota e una certa pressione Pa
Considerando un volumetto d'acqua in prossimità della superficie sopra il
titanic: esso avrà una certa quota e una certa pressione Pt<Pa
Quindi il carico piezometrico sopra il titanic è minore di quello presente
nelle vicinanze, si instaurà così un moto che genera "il risucchio"
Credo che sbizzarrendosi con un bel software di calcolo che risolve le
equazioni di Navier-Sotckes si possa simulare la cosa, impnendo delle
condizioni al contorno che variano a mo di titanic che affonda!
Ciao a tutti e auguri
"Dario" <mel...@inventando.ora> ha scritto nel messaggio
news:vDIyd.1016$H%6.2...@twister1.libero.it...


 decedute a causa di esso?
Non sono certo tornate a raccontarcelo. Però ci sono testimonianze di 
naufraghi che hanno dovuto nuotare accanitamente per non esserne 
inghiottite, e di altri che, trascinati sotto (nonostante giubbotti di 
salvataggio) sono poi riemersi. Una per tutte, quella del comandante Hara 
dell'incrociatore leggero Yahagi, affondato da aerei americani il 7 aprile 
1945 mentre era diretto verso le acque di Okinawa per una missione suicida. 
Trattandosi di un esperto comandante di mare, impegnato in una mnissione 
suicida, quindi risolutamente pronto a morire, ritengo sia una testimonianza 
non viziata da fattori emotivi e di ignoranza dell'elemento liquido.
Nel suo libro "Per un milione di morti (I libri Pocket Longanesi - 1969 - 
traduzione di Ugo Carrega) Tameichi Hara scrive: "Ci toglemmo le scarpe e 
saltammo in acqua. Un attimo dopo la nave si inabissò, trascinandoci verso 
il fondo del mare della Cina orientale. Il vortice gigantesco creato 
dall'affondamento della nave ci risucchiò violentemente stringendoci come in 
una morsa e io lottai annaspando con tutte le mie forze per tenermi a galla, 
ma invano.  Rimasi senza respiro e inghiottii dell'acqua.I miei occhi 
vedevano il nero più profondo. ... Non saprò mai quanti minuti passarono, ma 
mi parve un periodo di tempo lunghissimo. All'improvviso la morsa si 
allentò. Nel buio profondo cominciava a penetrare una tenue luce mentre 
risalivo verso la superficie."
In una precedente occasione, il comandante Hara, con il suo caccia 
Amatsukaze, accostò la portaerei Ryujo in affondamento per recuperarne 
l'equipaggio. Terminato il salvataggio Hara dice: "Diedi ordine di avanti a 
tutta forza. Un attimo dopo le turbine dell'Amatsukaze ruggivano, e la nave 
balzava in avanti. Non avevamo compiuto più di cinquecento metri che la 
Ryujo scomparve in un rigurgito d'acqua, L'ondata fu così forte che 
l'Amatsukatze venne sollevata in alto come un fuscello."
Quindi sembrerebbe che l'affondamento di una nave non sia una tranquilla 
immersione, ma un evento molto tumultuoso.
G. De M. 

 immersione, ma un evento molto tumultuoso.
Sembrerebbe proprio il contrario, invece, dalle testimonianze relative al
Titanic, dai risultati di sei congressi internazionali sulla stabilità di
navi affondate, ecc. ecc..
Innanzi tutto, in van 't Veer, R., de Kat, J., Cojeen, P., LARGE PASSENGER
SHIP SAFETY: TIME TO SINK, Proceedings of the 6th International Ship
Stability Workshop, Webb Institute, 2002. Si vede come il tempo di
affondamento sia dell'ordine delle ore, anche con onde di 4 m di altezza.
Naturalmente in una tempesta con onde di 10 m di altezza o nel bel mezzo di
un maelstrom le cose vanno diversamente, ma questo non era il nostro caso.
E ci sono numerosi altri articoli in tal senso, scritti da vari ricercatori
tra cui anche ufficiali della Marina di diversi paesi, come la US Navy.
Questo tanto per chiarire le idee sulla "molta tumultuosità".
In secondo luogo, il Titanic, che essendosi spezzato in due affondò in
frettissima (manco venti minuti da quando inizia a scendere  a quando
è del tutto immerso, tempo brevissimo rispetto ai suddetti tempi medi), non
produsse alcun risucchio. Charlie Joughin, che era vicino alla bandiera a
poppa mentre la nave affondava, dice che *a causa dell'assenza di un
risucchio sensibile*, potette nuotarsene via facilmente dopo che tutta la
nave era andata sott'acqua. Charles Lightoller, secondo ufficiale, era
bloccato non dal risucchio ma dai flussi d'acqua attraverso le prese d'aria
e fu liberato da una grossa bolla d'aria. Vedi Lord, W., A Night To
Remember, New York:  Henry Holt & Company, 1955. E tutto questo
nonostante il Titanic, ripeto, fosse affondato "di colpo" per una nave della
sua stazza.
Tutto ciò corrisponde, oltre le mie più rosee aspettative :-)), allo
scenario da me ipotizzato: risucchio scarso ma forti  flussi vicino
alle prese d'aria della nave. Resto comunque convinto del fatto
che il problema reale sia troppo complicato per poter trarre
delle conclusioni affidabili senza il supporto di esperimenti
ben congegnati.
Ciao,
Andrea

 risucchio?
Fai un semplicissimo esperimento:
accendi una candela e cammina con la candela in mano coprendola con 
l'altra nella direzione in cui ti muovi. Vedrai la fiamma avvicinarsi 
alla mano, inclinandosi in avanti.
La fiamma viene "risucchiata" dalla mano che ha davanti che si sta 
spostando in un fluido. Lo stesso avviene nell'acqua.
Dietro la mano, così come dietro la nave che affonda, la pressione è 
minore che nelle zone circostanti.
ciao