Pesquisadores da Universidade Estadual de Utah estão enviando cascatas de água em um tanque para descobrir um mistério da dinâmica dos fluidos.

Depois de um estudo de pesquisa de um ano, a equipe de engenheiros e dinâmicos fluidos desvendou a física por trás de um fenômeno subaquático único que foi comparado à boneca Matryoshka - a tradicional boneca russa dentro de uma boneca.

Em um estudo publicado na semana passada no Journal of Fluid Mechanics , pesquisadores do Splash Lab da USU descrevem o que acontece quando gotículas de água em rápida sucessão impactam uma superfície calma e criam uma cavidade de ar sob a água.

"Quando um fluxo de gotas atinge a superfície, puxa o ar para baixo e cria uma cavidade cheia de ar, "diz o autor principal e candidato a PhD Nathan Speirs." As formas das cavidades variam com base nos parâmetros de impacto, como o diâmetro da gota e a velocidade do impacto. "

Quando um fluxo contínuo de água - um jato - atinge a superfície da água, ele forma uma forma cilíndrica, profundo, cavidade estreita. Quando as gotas de sucessão lenta impactam a água, eles formam cavidades individuais que fecham e colapsam antes que a próxima gota atinja. A equipe do Splash Lab queria saber o que acontece quando gotas de sucessão rápida impactam a água. O resultado é uma série única de cavidades dentro das cavidades que criam uma aparência estriada.

"Se a frequência das gotas que caem for alta o suficiente, as gotas atingem o mesmo local e criam cavidades aninhadas, "disse Speirs." Cada gota sucessiva forma uma cavidade na base da cavidade anterior. "

Distinguir o limite entre alta e baixa frequência é uma parte importante das descobertas da equipe. Speirs diz que nunca houve um número que defina esse limite. Então ele e sua equipe desenvolveram um.

"Podemos definir os tipos de cavidades com base em um novo número adimensional que chamamos de número Matryoshka. Se o número for menor que um, a cavidade entrará em colapso antes que a próxima gota atinja. Se estiver acima de um, prevemos ver a formação de cavidades aninhadas. "

Os pesquisadores dizem que seu estudo oferece novas aplicações para a vida cotidiana.

"Já se sabe há muito tempo que um jato de fluido transita em um fluxo de gotículas a apenas alguns centímetros da fonte do jato, "disse o co-autor e professor associado da USU Tadd Truscott." Isso significa que, quando jatos diários comuns impactam uma piscina de água, como a água de uma torneira em uma pia de cozinha, ou um jato de urina caindo em um vaso sanitário - os jatos de gotículas criam cavidades semelhantes às que estamos estudando no Splash Lab. "

Compreender as nuances dos tipos de respingos pode levar a dispositivos que reduzem os respingos e fornecem ambientes mais limpos.

Na industria, uma compreensão mais completa deste aspecto nunca antes explicado da dinâmica dos fluidos também pode levar a avanços na fabricação de produtos químicos e farmacêuticos. Speirs afirma que as descobertas são especialmente úteis para o desenvolvimento de processos mais seguros e eficientes, nos quais o respingo é uma preocupação.