É um jogo comum de piscina:force uma bola flutuante debaixo d'água e deixe-a ir. A bola salta para a superfície e salta para o ar. Mas, submerja a bola mais profundamente na água e o efeito costuma ser decepcionante. Ao contrário da nossa intuição, aumentar a profundidade de liberação geralmente leva a uma diminuição da altura do pop-up.

Esta simples questão de dinâmica de fluidos intrigou os físicos por décadas, mas um novo estudo publicado em 1º de novembro em Fluidos de revisão física , oferece uma nova perspectiva sobre o fenômeno e pode esclarecer tópicos relacionados à dinâmica de saída de água e engenharia oceânica.

Uma equipe de pesquisadores da Utah State University, O Dartmouth College e a Brigham Young University usaram imagens de alta velocidade e velocimetria de imagens de partículas para descrever por que as esferas flutuantes que ascendem através de um fluido nem sempre se comportam da maneira que esperamos.

"A altura do pop-up depende da velocidade da esfera no ponto em que ela atinge a superfície livre, "disse o investigador principal e professor assistente de engenharia mecânica da USU, Tadd Truscott. "Não importa a profundidade da bola quando é lançada. Vários fatores afetam sua velocidade e trajetória até atingir a superfície."

Durante a subida, estruturas de esteira e vórtice freqüentemente se formam ao redor da esfera. A liberação assimétrica de vórtices e as formações de esteira podem alterar o movimento ascendente de uma esfera e resultar em uma trajetória não linear. Os autores demonstram que as esferas ascendentes geralmente se enquadram em uma das duas categorias de aceleração:1) um regime vertical, ou 2) um regime oscilatório.

"O regime vertical exibe uma trajetória subaquática quase vertical e resulta nas maiores alturas de pop-up, "explica Brenden Epps, professor assistente de engenharia em Dartmouth e co-autor do estudo. "O regime oscilatório exibe uma trajetória com movimentos laterais periódicos e resulta em alturas pop-up mais baixas. Às vezes, a bola pode até romper a superfície e deslizar por ela em vez de subir no ar."

Para testar o comportamento da esfera ascendente, os pesquisadores submergiram bolas de aço inoxidável em um tanque de teste em várias profundidades e as mantiveram no lugar usando uma ventosa conectada a um mecanismo de liberação de vácuo. Após tempo de espera suficiente para permitir que a água se torne quiescente, a ventosa liberou a esfera enquanto quatro câmeras sincronizadas de alta velocidade registravam sua ascensão.

No total, 664 testes foram realizados usando quatro bolas de vários diâmetros e profundidades de liberação. Como esperado, as alturas pop-up máximas ocorreram quando as esferas foram liberadas de profundidades rasas. As alturas pop-up mais baixas ocorreram quando as esferas foram liberadas de grandes profundidades.

Mas a conversa não termina aí. Parte do problema de altura de pop-up também depende do que acontece com a esfera no ponto de ruptura da superfície.

"Assim que a esfera limpar a superfície, a única força agindo sobre ele é a gravidade, "Truscott acrescentou." Portanto, a altura pop-up é determinada por uma transferência de energia cinética para a energia potencial da esfera após limpar a superfície. Contudo, a velocidade (e, portanto, a energia cinética) da esfera após ela ter passado pela superfície é ditada tanto pela velocidade com que ela se aproxima da superfície (definida pela dinâmica subaquática) quanto pela mudança na velocidade durante a violação. "

Os autores afirmam que seu estudo tem uma ampla gama de aplicações. Uma melhor compreensão da dinâmica de saída de água, eles explicam, pode ser útil em engenharia marítima e biologia marinha.

"Os pinguins saem da água após uma caça ou para evitar predadores, "eles escrevem." Foi levantada a hipótese de que os pinguins-imperadores usam bolhas liberadas de suas penas durante a subida para reduzir o arrasto e aumentar a velocidade de saída e altura de pop-up. ... Outras aplicações importantes do efeito pop-up incluem saída subaquática de veículos, estruturas flutuantes do mar e conversores de energia das ondas. "