Em geral, os pesquisadores de dinâmica de fluidos concentraram esforços para compreender os detalhes de quedas impactantes em superfícies planas rígidas; o efeito da curva, superfícies convexas ou complacentes na dinâmica de quedas impactantes ainda são relativamente desconhecidas. Apesar de sua extrema relevância para os aplicativos modernos, como a impressão a jato de tinta 3D e a aplicação de pesticidas nas folhas.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Física Técnica da Universidade de Liverpool, no Reino Unido, agora detalhou esses efeitos investigando o impacto de gotículas de água em superfícies esféricas macias. Eles apresentam sua pesquisa esta semana na revista. Física dos Fluidos , da AIP Publishing.

Usando um elastômero de silicone polidimetilsiloxano (PDMS), os pesquisadores produziram uma variedade de substratos elásticos hemisféricos convexos. Diferentes conjuntos de experimentos foram conduzidos pela equipe de Liverpool, variando os parâmetros de impacto, incluindo relações de diâmetro, módulo de elasticidade do polímero e números de Weber.

"Pegamos um material macio, um polímero de silicone, e pudemos mudar a maciez ou dureza deste silicone, preparando-o de maneiras diferentes, "disse Volfango Bertola, um membro da equipe de pesquisa.

A análise da equipe se concentrou nas quantidades que caracterizam a morfologia, ou a propagação e retração, de quedas impactantes, e os efeitos dos parâmetros de impacto na propagação e retração. Eles usaram processamento de imagem para vislumbrar esses fenômenos, e, em seguida, medir as faixas de ângulo de espalhamento, comprimentos de curvas molhadas e ângulos de contato dinâmico para gotículas de água que impactam vários polímeros.

Uma técnica única de processamento de imagem baseada em uma máscara goniométrica forneceu medições do ângulo de contato dinâmico durante o impacto. Esta nova técnica não exige que o formato da gota seja esférico, ou mesmo para ser simétrico, e é isso que tornou possível a medição do ângulo de contato dinâmico.

Os pesquisadores demonstraram que a curvatura da superfície aumenta a retração da gota impactada. Eles determinaram que isso era devido à diferença de dissipação de energia induzida pela curvatura da superfície. Essa dissipação é o que faz com que a temperatura da gota aumente durante o impacto.

Geralmente, os parâmetros de impacto mostraram afetar significativamente o ângulo de contato dinâmico durante o impacto. Uma estimativa quantitativa da energia de deformação mostrou que essa energia cai bem abaixo da dissipação viscosa.

Dos três parâmetros de impacto estudados, o número de Weber foi mostrado para criar o maior efeito no ângulo de contato dinâmico. Em todas as situações estudadas, um aumento no número de Weber de impacto foi observado para reduzir sistematicamente o ângulo de contato dinâmico, independentemente dos outros valores de parâmetro de impacto. Na verdade, a equipe de Liverpool descobriu que o efeito da proporção do diâmetro e do módulo de elasticidade no espalhamento é limitado.

Usar uma abordagem simples de conservação de energia para contabilizar a dissipação de energia por meio da deformação do substrato explica apenas uma pequena parte dos resultados experimentais. O grupo determinou que esta abordagem não era suficiente para explicar, especificamente, o comprimento máximo de espalhamento. Esse, e outros fatores, provoca novas questões quanto ao impacto da queda em superfícies macias convexas; Contudo, o processo está bem encaminhado por causa desses cientistas.

“Existe uma espécie de nova área que pode ser explorada, este é o primeiro trabalho falando sobre impactos em esferas suaves. Esperamos que isso incentive outros a estudá-los em mais detalhes, tanto experimentalmente quanto numericamente, "Disse Bertola.