La vera forma delle gocce di pioggia ricorda più una sfera che una lacrima

L'immagine che abbiamo tutti in mente della goccia di pioggia a forma di lacrima è in realtà una credenza popolare che non trova riscontro nella realtà. Ma allora che forma ha una goccia di pioggia? Partiamo da quelle più piccole, di diametro inferiore a 1 mm: queste gocce sono sfere quasi perfette. Se la si ingrandisse di circa 100 volte, la versione più grande assomiglierebbe a un panino per hamburger o ad un paracadute, contraddicendo di fatto il pensiero comune.

Le gocce sono sferiche a causa della tensione superficiale dell'acqua, che tende a “compattare” la superficie delle gocce in modo che contengano quanta più acqua possibile. Nel caso delle gocce di pioggia, l'area più piccola che si può ottenere durante la caduta è quella di una sfera: è lo stesso fenomeno che rende sferiche le bolle di sapone. Ecco che allora, una goccia isolata e con diametro inferiore a 1 mm, non distorta da forze esterne, viene trascinata dalla sua tensione superficiale in una forma sferica.

Cadendo, tuttavia, le gocce colpiscono le gocce vicine e si combinano con esse, diventando così sempre più grandi (con un diametro superiori a 2-3 mm). La strana forma di queste gocce più grandi è interamente dovuta alle forze esterne che agiscono su di esse, in particolare quelle aerodinamiche. Le dimensioni delle gocce aumentano man mano che si avvicinano alla superficie terrestre, acquisendo di conseguenza anche una maggiore velocità di caduta. La velocità con cui precipitano è tale da creare intorno a loro differenze di pressione che ne modificano la forma. Questo fa sì che la parte vicina al fondo della goccia sviluppi una pressione maggiore e, al contrario, una pressione minore ai lati della stessa. Questa differenza di pressioni tende ad appiattire la parte inferiore della goccia, cioè a spingere le molecole d'acqua dalla parte inferiore e centrale verso i lati, appiattendo così la goccia e aumentandone il diametro orizzontale.

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La parte superiore rimane sferica, anche nelle gocce di pioggia più grandi, perché la tensione superficiale, ossia le molecole d'acqua che si aggrappano l'una all'altra, è maggiore della pressione del flusso d'aria sovrastante. Più grande è la goccia di pioggia, più velocemente cade e più è influenzata dall'aria che spinge contro la sua parte inferiore. Le gocce più grandi di 4,5 mm si distorcono a forma di paracadute durante la caduta e alla fine si frammentano in gocce più piccole.

A questo punto, se la goccia di pioggia diventa troppo grande, si divide in due, riacquistando la sua forma sferica originale.

Questo meccanismo di deformazione della goccia di pioggia è dovuto ad un altro fenomeno noto come viscosità, ovvero la resistenza offerta al flusso di un liquido. Fino a questo punto abbiamo ipotizzato che le gocce cadano in un fluido perfettamente non viscoso. Tuttavia, l'aria ha una certa viscosità, sufficiente a influenzare la forma delle gocce. Quando si muove intorno a una grande goccia di pioggia, l'aria si comporta come l'ala di un aereo. Lo strato d'aria che circonda la goccia forma una regione instabile sulla superficie superiore. In questa regione, la pressione dell'aria è significativamente inferiore a quella della base della goccia. Ciò determina una maggiore curvatura sulla superficie superiore rispetto alla base.