Fenômenos envolvendo tensão superficial são extremamente complexos e têm aplicações em nosso dia a dia, e os pesquisadores do OIST estão lidando com a complicada matemática por trás da física.

Os efeitos da tensão superficial são de importância central em muitos fenômenos cotidianos:faz com que pequenas gotas de chuva grudem em suas janelas, cria bolhas quando você adiciona detergente em sua pia, e impulsiona os insetos que andam pela água na superfície das lagoas. Até induz as "lágrimas de vinho", um anel de líquido transparente próximo ao topo da borda interna de uma taça de vinho a partir do qual gotículas se formam continuamente e caem de volta no vinho abaixo. Contudo, apesar de sua onipresença e longa história de observações científicas, a tensão superficial - e a interação de líquidos com diferentes tensões superficiais - ainda não é totalmente compreendida. Enfrentando a complexidade do problema, modelos simplificados têm sido usados ​​há décadas. Mas agora, Os pesquisadores do OIST deram um novo passo em direção a um entendimento mais completo, relatado no Journal of Fluid Mechanics , abordando uma propriedade intrincada da tensão superficial. O resultado revela que uma aproximação comumente usada fornece resultados surpreendentemente precisos, apesar da complexidade do problema.

O trabalho é uma continuação de estudos anteriores em que os cientistas do OIST estudaram o movimento das gotículas de acetona impulsionadas pela tensão superficial, deslizando na superfície da água.

"Porque o fenômeno é tão complicado, Pensei no sistema mais simples que ainda não foi estudado, tentando adivinhar as forças aplicadas na gota que a faria se mover, "explicou o Dr. Stoffel Janssens." Este é um pequeno passo para compreender completamente como uma gota de líquido se move na água devido à tensão superficial. "

Os pesquisadores da Matemática, Mecânica, e a Unidade de Materiais chefiada pelo Prof. Eliot Fried projetou um dispositivo simples na forma de um recipiente retangular cheio de água, em que um cilindro estacionário está parcialmente submerso. Um surfactante - uma molécula orgânica que diminui a tensão superficial - é aplicado na superfície da água em um lado do cilindro, que permite aos cientistas medir os perfis das porções livres e carregadas de surfactante da superfície da água. Essas medições ajudaram os cientistas a construir um modelo teórico que é usado para determinar as forças que atuam no cilindro.

A essência da complexidade está na geometria:a superfície da água se curva em direção ao cilindro e a curvatura depende diretamente da tensão superficial. Com um surfactante em um lado do cilindro, os perfis da superfície da água em cada lado do cilindro são assimétricos devido às diferentes curvaturas, o que torna o cálculo das forças no cilindro matematicamente mais complexo. Até agora, um modelo simplificado ignorou essas curvas sob a suposição de que a superfície da água permanece completamente plana em ambos os lados do cilindro.

Os cientistas descreveram o problema com três abordagens independentes:eles calcularam as forças mecânicas aplicadas ao cilindro numericamente, exigindo a ajuda de um computador para fornecer soluções para as equações complexas. Inspirado pelos resultados numéricos, eles mudaram para um método analítico, também conhecido como método de "caneta e papel", para confirmar o modelo.

"Com o método numérico, você precisa fornecer ao algoritmo os valores de entrada, então, de certa forma, você está resolvendo as equações para casos muito específicos, "comentou o Prof. Fried." Você pode ter uma ideia do que está acontecendo, mas não pode fornecer uma prova geral. Se você fizer isso analiticamente com caneta e papel, sem ter escolhido valores numéricos particulares, então você tem algo que se aplica em geral. "

Os pesquisadores finalmente analisaram o problema usando uma terceira abordagem independente baseada em energia, em vez de forças mecânicas.

Todos os três métodos levam ao mesmo resultado inesperado:podemos ignorar com segurança a curvatura da interface água-ar, uma vez que as forças calculadas são iguais às obtidas pelo modelo simplificado, onde a superfície da água é considerada plana.

"Não podíamos descartar a possibilidade de que ignorar a curvatura da interface água-ar levasse a erros inaceitáveis, "comentou o Dr. Janssens." Surpreendentemente, Contudo, Acontece que o modelo simplificado usado por décadas é altamente preciso! "

Além de resolver um problema complexo, o resultado dessa pesquisa fornece mais confiança em medições como a balança de Langmuir, usada no século passado. Além disso, este é o primeiro passo para entender o fenômeno complexo de uma gota de acetona deslizando na água por causa da tensão superficial.

"Este trabalho pode ser visto como uma abordagem reducionista, onde demos um passo atrás nesse fenômeno muito complicado e tentamos resolvê-lo por partes, partindo dos recursos mais básicos, "concluiu o Prof. Fried." Agora podemos passar para um problema um pouco mais desafiador, por exemplo, onde o cilindro pode deslizar sobre o fluido. "