Effetto Kaye: il filo di shampoo che rimbalza dal nulla

Provate a versare lentamente dello shampoo o del sapone liquido da una certa altezza su una superficie liscia. Per la maggior parte del tempo il filo si accumula formando un cumulo, ma ogni tanto succede qualcosa di sorprendente: un sottile getto schizza via dal mucchio verso l'alto, come se il liquido rimbalzasse su sé stesso. È l'effetto Kaye, uno dei fenomeni più affascinanti e controintuitivi della fisica dei fluidi quotidiani.

Una nota su Nature nel 1963

Il fenomeno prende il nome dall'ingegnere britannico Alan Kaye, che lo descrisse in una breve ma celebre comunicazione su Nature nel 1963, intitolata A Bouncing Liquid Stream. Kaye notò che alcuni liquidi viscosi, versati in modo continuo, producevano di tanto in tanto un getto che saltava lateralmente. Per anni si è ritenuto che il segreto fosse l'elasticità del fluido, come se lo shampoo si comportasse da minuscola molla. La spiegazione, però, era un'altra.

Il segreto è uno strato d'aria

La risposta definitiva è arrivata nel 2006 da un gruppo dell'Università di Twente, nei Paesi Bassi, guidato da Michel Versluis. Nello studio The leaping shampoo and the stable Kaye effect i ricercatori hanno filmato il fenomeno ad altissima velocità scoprendo che tra il getto in caduta e il cumulo sottostante si forma un sottilissimo strato d'aria. Questo cuscino lubrificante impedisce al getto di fondersi immediatamente con il liquido già depositato: invece di affondare, il filo scivola sulla superficie del cumulo e, se la pendenza è giusta, viene deviato verso l'alto, dando l'illusione di un rimbalzo.

Perché serve un fluido non newtoniano

L'effetto non funziona con l'acqua. Servono fluidi non newtoniani di tipo shear-thinning, cioè liquidi la cui viscosità diminuisce quando vengono sottoposti a uno sforzo di taglio: è il caso di shampoo, gel doccia, sapone liquido e molte vernici. Nel punto in cui il getto tocca il cumulo, lo sforzo locale rende quel sottilissimo strato di liquido temporaneamente più fluido, facilitando lo scivolamento. È lo stesso principio per cui, come spiega la voce di Encyclopaedia Britannica sui fluidi non newtoniani, queste sostanze si comportano in modi che sfidano l'intuizione: il ketchup che non esce e poi schizza, la sabbie mobili, l'impasto di amido di mais che diventa solido sotto un pugno.

Un esperimento da fare in cucina

L'effetto Kaye è facilmente riproducibile: basta uno shampoo abbastanza viscoso, un piatto inclinato e un po' di pazienza. Versate il liquido da circa dieci centimetri di altezza, in modo continuo e sottile; quando il filo colpisce il cumulo con l'angolazione giusta, vedrete partire piccoli getti che saltano via. I ricercatori di Twente hanno persino trovato modi per stabilizzare il fenomeno, ottenendo getti che rimbalzano ininterrottamente. È un promemoria affascinante di quanto fisica complessa si nasconda in un gesto banale come lavarsi i capelli, e di come la scienza, dalla nota di Kaye su Nature agli studi moderni di reologia, possa impiegare decenni per spiegare ciò che vediamo ogni giorno.

La grande famiglia dei fluidi non newtoniani

L'effetto Kaye è solo uno dei comportamenti bizzarri dei fluidi non newtoniani, sostanze la cui viscosità non è costante ma dipende dalla forza applicata. Gli shampoo appartengono alla categoria dei fluidi pseudoplastici o shear-thinning, che diventano più scorrevoli quando vengono agitati o spinti: è lo stesso principio per cui molte vernici si stendono facilmente col pennello ma poi non colano sul muro. All'estremo opposto ci sono i fluidi dilatanti o shear-thickening, che si induriscono sotto sforzo: il caso da manuale è l'oobleck, la miscela di amido di mais e acqua su cui si può persino correre, ma in cui si affonda se ci si ferma. Anche le sabbie mobili e alcuni fluidi corporei, come il sangue, mostrano comportamenti non newtoniani.

Perché agli scienziati interessano i rimbalzi

Studiare fenomeni come l'effetto Kaye non è un semplice esercizio di curiosità. La reologia, la scienza che studia la deformazione e lo scorrimento della materia, è fondamentale in moltissimi settori industriali: dalla formulazione di cosmetici e alimenti alla stampa a getto d'inchiostro, dai rivestimenti industriali alla microfluidica dei dispositivi medici. Capire esattamente come un getto sottile interagisca con una superficie, e come si comporti quel sottile strato d'aria intrappolato, aiuta a controllare processi in cui pochi millimetri e pochi millisecondi fanno la differenza. Lo strato d'aria lubrificante che spiega il "rimbalzo dello shampoo", per esempio, è imparentato con i fenomeni che permettono a una goccia d'acqua di danzare su una superficie molto calda.

Non stupisce, dunque, che riviste come Scientific American abbiano dedicato spazio a questi effetti apparentemente frivoli: dietro un gesto da bagno si nasconde una fisica ricca e ancora oggi oggetto di ricerca. La prossima volta che farete lo shampoo, insomma, saprete di avere tra le mani un piccolo laboratorio di meccanica dei fluidi.

Quando la telecamera vede ciò che l'occhio non coglie

La vera svolta nello studio dell'effetto Kaye è arrivata con le telecamere ad altissima velocità, capaci di registrare migliaia di fotogrammi al secondo. Solo rallentando enormemente le immagini i ricercatori hanno potuto osservare il sottile strato d'aria che si forma tra il getto e il cumulo, un dettaglio invisibile a occhio nudo perché dura frazioni di secondo. È lo stesso approccio che ha permesso di svelare altri misteri quotidiani, come il modo esatto in cui una goccia rimbalza o si frantuma toccando una superficie. Il gruppo dell'Università di Twente ha persino dimostrato di poter rendere il fenomeno stabile: regolando con cura l'altezza e la portata del getto, e facendolo cadere su una superficie leggermente inclinata, è possibile ottenere un filo di shampoo che rimbalza in modo continuo per diversi secondi, formando una piccola fontana persistente. Questi esperimenti mostrano come strumenti sofisticati possano trasformare un'osservazione casuale in fisica rigorosa, e come la curiosità per i fenomeni di tutti i giorni resti uno dei motori più potenti della ricerca scientifica.