Mergulhar esferas quentes em líquidos viscosos revela uma maneira de reduzir a resistência a fluidos sem procedimentos complexos de engenharia.

O movimento irregular das gotas de água em torno das frigideiras que chiam ocorre quando camadas de vapor aprisionado fazem com que as gotas flutuem brevemente. Uma equipe da King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Arábia Saudita, mostrou que este processo, conhecido como efeito Leidenfrost, pode ser usado para reduzir significativamente as forças de arrasto enfrentadas por objetos que viajam através de líquidos.

Os pontos especiais de uma bola de beisebol e as covinhas nas bolas de golfe não são apenas cosméticas. Em velocidades suficientes, essas texturas ásperas fazem com que uma fina camada limite de ar fluindo sobre a esfera tenha um comportamento turbulento e reduza o atrito a um nível abaixo do de superfícies lisas. Essa chamada crise de arrasto permite que essas bolas atinjam trajetórias mais longas e estáveis.

Recentemente, Siggi Thoroddsen, Professor de Engenharia Mecânica, e Ivan Vakarelski, da KAUST, investigou técnicas para desencadear o arrasto sem invocar o fenômeno da crise. Eles conseguiram isso revertendo os procedimentos usuais de Leidenfrost e imergindo esferas quentes em líquidos. Com evaporação suficiente, formou-se uma camada de vapor que atuou como lubrificante para reduzir o atrito líquido-sólido. Esta abordagem permitiu que as esferas quentes se movessem duas vezes mais rápido que as esferas mais frias durante os experimentos de queda livre.

Contudo, tanto a crise de arrasto quanto a levitação induzida por Leidenfrost ocorrem sob uma faixa estreita de um parâmetro, conhecido como o número Reynolds, que relaciona a viscosidade e a densidade do fluido com o tamanho e a velocidade de uma esfera móvel. Em seu último trabalho, Vakarelski, Thoroddsen e colaboradores na Austrália usaram líquidos com propriedades estabilizadoras exclusivas para expandir dramaticamente as condições sob as quais as camadas de vapor Leidenfrost diminuem as forças de arrasto.

Os pesquisadores jogaram as esferas escaldantes em tanques verticais altos contendo perfluorocarbonos, líquidos geralmente usados ​​como refrigerantes que evaporam mais facilmente do que a água. Câmeras de vídeo de alta velocidade capturaram as trajetórias de queda livre de esferas em perfluorocarbonos com viscosidades amplamente diferentes para explorar uma variedade de condições de arrasto. Surpreendentemente, a camada de vapor reduziu o atrito em muito mais do que o esperado, e o fez com sucesso para os números de Reynolds abrangendo três ordens de magnitude.

A modelagem desse processo revelou que o efeito Leidenfrost induziu o líquido que flui ao redor da esfera a escorregar e assumir velocidades diferentes. Thoroddsen explicou que, "Conforme lentamente introduzimos mais deslizamento, isso reduz progressivamente o arrasto. O deslizamento parcial é determinado pela viscosidade relativa do líquido e das moléculas de gás na camada de vapor. "

A equipe prevê que as camadas de vapor se sustentam naturalmente em superfícies superhidrofóbicas, ou induzida via injeção de bolha, pode estimular o desenvolvimento de técnicas inesperadas de corte por fricção. "Esses experimentos apenas fornecem um limite superior para a redução do arrasto - uma vez que os engenheiros vejam as possibilidades, a recompensa potencial pode ser grande, "acrescentou Thoroddsen.