A água parará facilmente uma bala, mas não pode impedir uma bola de afundar em uma bolha.

Este é o resultado notável de uma série de experimentos que mostraram pela primeira vez objetos afundando na água com arrasto próximo de zero, finalmente provando uma teoria do século 18 em física.

Os nadadores experimentam isso, peixes desenvolveram suas formas elegantes para minimizá-lo, navios são desacelerados por ele, e os submarinos usam grandes quantidades de energia para derrotá-lo. O arrasto retarda tudo na água, e removê-lo é o Santo Graal da mecânica dos fluidos.

Melhorias de apenas 5 ou 10 por cento de redução do arrasto podem ter um grande impacto na eficiência do combustível e na velocidade, mas e se você reduzir o arrasto em 1000 por cento?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Melbourne, Kind Abdullah University of Science and Technology, Arábia Saudita, e o Instituto de Computação de Alto Desempenho de Cingapura o decifrou. Suas descobertas são publicadas no jornal Avanços da Ciência .

O experimento parece simples. Solte uma bola de metal de 2 centímetros de largura em uma piscina profunda. A bola forma uma grande bolha de gás na forma de uma lágrima alongada em torno de si mesma e, em seguida, a bola e a bolha afundam juntas. Faça as contas e descobre-se que esta bola sofre dez vezes menos resistência do que um objeto sólido com a mesma forma.

Parece simples, mas não é. Este experimento requer um conjunto muito particular de condições, e a equipe passou anos entendendo sua base teórica.

Tudo começa com a bola, ou para ser específico, duas bolas.

"Existem duas maneiras de criar essas camadas de gás, "diz o professor Derek Chan, um matemático da Universidade de Melbourne, e um dos líderes do estudo.

"O primeiro é aquecer uma esfera de metal a uma temperatura muito alta, e a segunda é usar uma superfície superhidrofóbica.

"Pela primeira vez, aquecemos a bola a 400 graus Celsius, e aquecemos a água a 95 graus Celsius - logo abaixo de seu ponto de ebulição.

"Quando a bola atinge a água, ferve uma pequena quantidade de água imediatamente em torno dela, criando uma camada de vapor d'água. Na combinação certa de temperatura da bola e da água, essa camada se torna estável, então a bola fica completamente envolta no gás. Chamamos isso de estado Leidenfrost. "

Esta é a versão "de dentro para fora" do fenômeno que a maioria dos cozinheiros veria regularmente quando colocam pequenas quantidades de água em uma panela muito quente, e as gotas de água deslizam pela panela, porque eles são elevados por uma película de vapor sustentada pela superfície quente.

O segundo tipo de bola repele a água ao seu redor. Hidrofóbico significa literalmente 'ódio à água'. Pense em gotas de água e escorrendo de uma jaqueta Goretex. E quando algo é superhidrofóbico, esse ódio é profundo.

A bola é revestida com um produto chamado Glaco Mirror Coat Zero, na verdade, é vendido como um revestimento repelente de água em spray para espelhos laterais de carros. É tão eficaz em repelir a água que, nas condições certas, a bola mantém uma camada de gás entre ela e a água, mesmo quando completamente submersa.

"O benefício do revestimento super-hidrofóbico é que ele funciona em água em temperatura ambiente, "diz o professor Chan.

Dr. Ivan Vakarelski e Professor Sigurdur Thoroddsen, que lideram a King Abdullah University parte da equipe, dizem que há várias maneiras de reduzir o arrasto.

"Dimples em bolas de golfe é um exemplo, como é o padrão na pele de um tubarão, "diz o Dr. Vakarelski.

"Liberar bolhas de ar na frente de um objeto em movimento na água pode reduzir significativamente o arrasto, assim como pode usar uma superfície hidrofóbica. "

O professor Thoroddsen diz que a ideia por trás de todas essas estratégias é mudar a forma como o fluido - como água ou ar - flui ao redor do objeto, particularmente ao lado do objeto, no que é chamado de camada limite.

"Em nossos experimentos anteriores, temos camadas de gás estáveis ​​em torno dessas bolas, mas eles tinham menos de 1 milímetro de espessura, " ele diz.

"Isso ajudou a reduzir o arrasto em 10 ou 20 por cento, mas isso não foi o suficiente, então começamos a pensar em maneiras de criar uma bolha maior ao redor dessas bolas. "

Eles começaram a soltar as bolas de várias alturas, e descobri que na faixa certa de alturas, uma grande cavidade de gás foi criada em torno da bola, e essa forma foi mantida enquanto a bola afundava na água.

O Dr. Evert Klaseboer do Instituto de Computação de Alto Desempenho e o Professor Chan, que fez a análise teórica e a modelagem, estão entusiasmados com a forma como essa descoberta pegou um conceito puramente teórico e o tornou real.

"Há uma teoria bem conhecida neste campo, que a força de arrasto em um objeto ideal, com uma superfície de deslizamento livre, cairá para zero, "diz o Dr. Klaseboer.

"Este é o conhecido Paradoxo de d'Alembert e nosso resultado é uma realização do século 21 de um resultado teórico do século 18.

“No estudo da dinâmica dos fluidos, sempre usamos uma esfera hipotética porque não fomos capazes de criar um objeto com uma superfície deslizante - até agora.

"O movimento das bolas, como a bola de golfe mencionada, é impossível prever com uma fórmula matemática por causa da ação caótica da turbulência, mas a esfera na cavidade não tem turbulência e pode ser descrita por equações muito simples. Pode se tornar um exemplo clássico de algumas teorias hidrodinâmicas fundamentais. "

Esta pesquisa tem implicações importantes para o desenvolvimento de veículos marinhos eficientes em termos de energia.

“As tecnologias atuais dependem da injeção de bolhas de gás perto do casco, "diz o professor Chang.

“Também estão em desenvolvimento veículos que têm uma superfície superhidrofóbica que pode sustentar naturalmente camadas de ar finas.

"Essas tecnologias podem atingir 10 ou talvez 20 por cento de redução de arrasto, enquanto nosso experimento demonstra que, para o melhor cenário, uma redução de ordem de magnitude é possível.

"Isso agora define a meta para pesquisas futuras nesta área."