p Quando uma única gota de chuva cai no chão, pode respingar em uma folha em forma de coroa, borrifando gotas menores de sua borda antes de afundar de volta à superfície - tudo em um piscar de olhos. p Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de rastrear a espessura da borda de uma gota quando ela salta de uma variedade de superfícies. Esta medição incrivelmente específica, eles dizem, é a chave para prever o número, Tamanho, e velocidade de gotículas menores que podem ser ejetadas da borda, no ar.

p Lydia Bourouiba, professor assistente de engenharia civil e ambiental e diretor do Laboratório de Dinâmica de Fluidos de Transmissão de Doenças do MIT, diz que os resultados do grupo podem ser usados ​​para modelar a física dos sprays, como pesticidas que respingam das folhas das colheitas, ou gotas de chuva que podem pegar e espalhar doenças ao ricochetear em superfícies contaminadas.

p "Nossa investigação fundamental visa compreender a física do spray, e identificar os principais ingredientes que controlam os sprays, se se deseja minimizar as gotículas secundárias indesejáveis, ou melhorar sprays para revestir homogeneamente uma superfície, "Bourouiba diz." Para fazer tudo isso, é preciso saber como o fluido se quebra. "

p Bourouiba e seus alunos publicaram seus resultados na revista Cartas de revisão física . Seus co-autores são alunos de pós-graduação Yongji Wang, Raj Dandekar, Nicole Bustos, e Stephane Poulain.

p Empurrando para a frente

p Nos últimos anos, O grupo de Bourouiba tem desenvolvido algoritmos de análise de imagem para extrair e medir automaticamente certos recursos em vídeos de alta velocidade de processos de ruptura de fluidos. Câmeras de alta velocidade de última geração podem, em sua maior parte, capturar, em câmera lenta, a evolução de uma gota espirrando - um processo que leva cerca de vários milissegundos, durante o qual, milhares de gotículas menores podem ser ejetadas no ar.

p Os cientistas têm usado esses vídeos de alta velocidade para medir o tamanho das gotas ejetadas, a espessura da borda em expansão, e outros recursos iniciais, principalmente à mão.

p "Como todos esses recursos mudam constantemente em um curto período de tempo, extração de alta precisão, medições imparciais nos dados são bastante complicadas, "Bourouiba diz." Algoritmos clássicos são incapazes de capturar todos esses detalhes. "

p Em contraste, os algoritmos de sua equipe podem discernir automaticamente a borda de uma gota que salpica e distingui-la das gotas menores que saem da borda, e os ligamentos que se formam ao redor da borda. Depois que os algoritmos processam os dados da imagem, os pesquisadores podem separar claramente a borda do resto das características da gota, e extraia seu tamanho, a qualquer momento durante o processo de respingo.

p A equipe montou vários experimentos para ver se eles poderiam detectar uma tendência comum na forma como a borda de uma gota evolui ao espirrar em uma superfície. Os pesquisadores testaram cerca de 15 líquidos de viscosidade e viscoelasticidade variadas, ou viscosidade. Eles liberaram gotas únicas de cada líquido de uma "torre de queda de alta precisão, "uma configuração que pode manipular com muita precisão o tamanho da gota liberada, a orientação da superfície abaixo, e as condições de iluminação nas quais registrar a gota usando câmeras de alta velocidade.

p A equipe lançou cada gota em superfícies diferentes, incluindo uma piscina de água, a borda de uma superfície, superfícies de diferentes rugosidades, superfícies revestidas com uma fina película líquida, e pequenas superfícies de tamanho comparável ao da gota, ou seja, hastes.

p Depois de ajustar os algoritmos para analisar automaticamente cada gota de vídeo, eles começaram a notar um padrão na forma como a borda de uma gota evoluiu ao longo do tempo. A borda normalmente não é lisa, mas mostra ondulações e protuberâncias. Os pesquisadores mostraram que a geração instantânea dessas ondulações ao longo da borda é independente da aceleração e, em vez disso, é determinada principalmente pela geometria da borda. Contudo, a espessura da borda está relacionada à aceleração da borda à medida que ela se expande no ar. Quanto maior a aceleração do aro, quanto mais fina a borda, e as gotas mais rápidas se destacam conforme ele se expande.

p Em outras palavras, é a aceleração da borda que determina quanto fluido permanece na borda e quanto fluido é empurrado para fora da borda no ar, em última análise, na forma de gotículas.

p "É como quando alguém está em um carro que desacelera de repente, "Bourouiba diz." A desaceleração do quadro de referência do carro introduz uma força fictícia que empurra a pessoa para a frente. É a mesma sensação de um volume de fluido quando a folha inteira desacelera. "

p Um insight importante que os pesquisadores tiveram é que a mudança da aceleração ao longo do tempo é importante. Se uma ondulação crescer mais do que suas vizinhas para se tornar uma protuberância, a força virtual instantânea que sente dada a desaceleração instantânea acaba empurrando-o para frente mais do que seus vizinhos, resultando em seu alongamento e destacamento final na forma de uma gota.

p Estabelecendo um vínculo

p A partir de suas observações experimentais, a equipe desenvolveu uma equação simples para prever a espessura da borda de uma gota, dada sua aceleração, em qualquer ponto ao longo da borda e a qualquer momento durante o processo de respingo. A equação é baseada no que é conhecido como número de Bond - um número não dimensional que normalmente é usado para comparar as forças gravitacionais às forças inerciais.

p "Se este número for muito grande, a gravidade domina, como para uma grande poça de água que vai achatar porque a gravidade puxa para baixo, "Bourouiba diz." Por uma pequena gota, não é plano, mas esférico, porque a tensão superficial domina. Se o número da ligação for igual a 1, as duas forças estão em equilíbrio. "

p Com sua nova equação, os pesquisadores trocaram a gravidade pela aceleração instantânea do aro, e usou a equação para calcular o número de Bond - essencialmente, a razão entre as forças induzidas pela aceleração do aro e a tensão superficial - em qualquer ponto ao longo de seu aro a cada vez. Quanto maior o número do Bond, quanto mais a aceleração domina em um determinado ponto ao longo da borda, e é mais provável que o local se rompa e libere uma gota menor no ar. Quanto menor o número do Bond, quanto mais a tensão superficial domina e age para manter o aro intacto.

p A equipe descobriu que, para aros instáveis, o número da ligação como eles o definiram, permanece igual a um em todos os momentos, levando a um modelo teórico muito simplificado da espessura do aro, apesar da complexidade deste processo que muda continuamente no tempo.

p A equipe descobriu que a teoria se sustenta em uma gama de viscosidades, incluindo líquidos tão ralos quanto água, e tão espesso quanto plasma ou leite. Ele também pode prever como a borda evolui quando uma gota é espirrada em uma variedade de superfícies, com geometrias diferentes.

p "A teoria não é apenas universal nas configurações [de superfície], mas pode continuar valendo para uma grande família de fluidos industriais e biológicos, por exemplo, "Bourouiba diz.

p Anteriormente, os cientistas só foram capazes de desenvolver uma teoria para prever a espessura de um aro em configurações "estáveis", como um fluxo contínuo de água fluindo de uma torneira a uma taxa constante. Tal situação é considerada estável, pois iria produzir uma lâmina de água espirrando da superfície, com um tamanho de borda e outras propriedades que não mudariam com o tempo.

p "Mas todos os impactos das quedas, das gotas de chuva, descontaminação ou pulverização de pesticidas, ou outros processos de fragmentação, como espirros, são de fato instáveis, um aspecto do problema que não foi abordado em trabalhos anteriores, "Bourouiba diz." Nós mostramos que essa nova teoria se aplica a uma ampla classe de problemas que são instáveis. "

p “As minúsculas gotículas emitidas podem ser transportadas para muito longe do local onde ocorre o impacto, por exemplo, patógenos, ou outros tipos de organismos ou moléculas, "diz Jose Manuel Gordillo, professor de mecânica dos fluidos na Universidade de Sevilha, na Espanha. "Acredito que essas descobertas não ajudarão apenas no entendimento básico da fragmentação instável das bordas no processo natural, mas também em aplicativos relacionados, por exemplo, com impressão. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.