Os físicos da Universidade de Chicago que trabalham no campo nascente da dinâmica de vórtices experimentais têm, com a ajuda inesperada de um marcador Sharpie, alcançou as primeiras medições de uma propriedade indescritível, mas fundamental de fluxo de fluido.

Até agora, não havia nenhuma maneira no laboratório de medir a helicidade total, ou a medida de quando dois anéis de vórtice se entrelaçam. Em seus experimentos, a equipe da UChicago criou vórtices de núcleo fino - os tipos encontrados em rastros de aeronaves e voos de insetos - produzindo hidrofólios usando uma impressora 3-D.

Por sorte, o marcador Sharpie vermelho usado para rotular os hidrofólios continha corante rodamina, que ficava fluorescente quando iluminada por luz laser. Quando os hidrofólios foram colocados em um tanque de água, a tinta começou a se difundir, e quando o hidrofólio foi acelerado, o corante foi sugado para o centro do vórtice recém-criado - um processo registrado por tomografia de varredura a laser de alta velocidade.

As novas descobertas, publicado em 3 de agosto em Ciência , são os primeiros a mostrar que a helicidade mantém um valor constante durante o fluxo de fluidos viscosos. A dinâmica de vórtice tem aplicações importantes na vida cotidiana; meteorologistas, por exemplo, ver a helicidade como um fator que contribui para a formação de tornados supercelulares.

"O fato de termos pela primeira vez algumas medidas que mostram helicidade pode ser preservado, especialmente na presença de alongamento, pode traduzir diretamente para esses esforços, "disse William Irvine, um professor associado de física, que publicou os resultados junto com quatro co-autores.

Voltas e mais voltas

Em sua última pesquisa, os físicos estudaram três formas relacionadas de helicidade:torção, ligando e se contorcendo. As três formas são simplesmente maneiras diferentes de descrever formas geometricamente relacionadas que foram torcidas ou esticadas. Cada tubo de vórtice pode ser visualizado como um feixe de filamentos, semelhantes aos amarrados em uma corda torcida.

"Se você pegar um pedaço de corda ou fio de telefone e enrolá-lo, então diríamos que o centro desta corda ou fio de telefone está se contorcendo, "Irvine disse." E se pegássemos essa coisa que enrolamos e a puxássemos em linha reta, você veria se torcendo ao longo de seu comprimento. "

Simular a helicidade nesses fluxos tem sido difícil por causa das escalas amplamente separadas, mas interconectadas, nas quais eles operam. O trabalho anterior foi em grande parte teórico e envolveu hipotéticos, fluidos mais simples, totalmente sem viscosidade. Os cálculos mostraram que a helicidade foi conservada nesses fluidos hipotéticos, mas a viscosidade surgiu como um fator significativo no fluxo de fluidos reais.

"Um dos principais problemas é que você precisa amostrar ou medir características do fluxo que existem em escalas de comprimento muito diferentes, "disse Martin Scheeler, o autor principal do estudo, que recentemente concluiu seu doutorado em física na UChicago. As escamas variam do diâmetro de um vórtice (aproximadamente 30 centímetros ou um pé) ao diâmetro de seu núcleo delgado (aproximadamente um milímetro ou três centésimos de polegada).

"Você precisa medir o fluxo dentro do núcleo, bem como a evolução geral da forma desse vórtice, "Disse Irvine." É uma separação e tanto. "Ele caracterizou o trabalho de Scheeler em superar os desafios experimentais - simultaneamente rastreando os detalhes do fluxo enquanto ainda mede a dinâmica crítica em grande escala - como um" tour de force ".

'É a coisa mais maluca que funciona'

O grupo de Irvine já havia usado bolhas para conduzir pesquisas pioneiras sobre a dinâmica de vórtices em seus experimentos com tanques de água. As medições de helicidade, Contudo, requeria algo diferente, que foi fornecido por acaso através do Sharpie.

O corante tem sido usado há muito tempo em experimentos de vórtice, mas com menos precisão. Em experimentos anteriores, o corante foi colocado difusamente no tanque, e então os vórtices os envolveriam. Mas o Sharpie apresentou uma oportunidade de posicionar com precisão o corante no centro dos vórtices, enquanto Scheeler pintava meticulosamente pontos em todo o comprimento dos hidrofólios.

"Não tínhamos realmente percebido que essa era uma possibilidade até que vimos a tinta sangrando do hidrofólio, "disse Scheeler, que valorizava a criatividade e a liberdade envolvidas em projetar experimentos para um campo nascente da física.

"Realmente não existe um manual, e isso é realmente emocionante, "ele disse." Você pode experimentar todos os tipos de coisas diferentes, e às vezes são as coisas mais malucas que funcionam. "