Uma equipe de pesquisadores da Université Côte d'Azur e da Hokkaido University realizou recentemente um estudo explorando a formação espontânea de padrões espirais observados na superfície livre voltada para baixo de um filme líquido horizontal. A superfície examinada por eles acarreta instabilidade de Rayleigh-Taylor, o que desestabiliza a interface entre dois fluidos de densidades diferentes quando o fluido mais pesado está empurrando para baixo o mais leve.

Os pesquisadores observaram que a descarga de líquido resultante dessa instabilidade pode ocorrer na forma de cortinas de líquido em propagação, que são gerados na periferia circular do filme e aparecem como braços espirais giratórios para dentro. Usando um autômato celular fenomenologicamente construído, eles demonstraram que esses padrões surgem do bloqueio de fase, o que leva a uma descarga intermitente de líquido a uma taxa de fluxo constante sobre toda a superfície do filme.

"Cerca de 15 anos atrás, O Dr. Laurent Limat e seus colegas estudaram a dinâmica espaço-temporal de colunas de líquidos movendo-se livremente ao longo da borda de um prato circular, "Christian Mathis, um dos pesquisadores que realizou o presente estudo, contado Phys.org . "Inspirado pelo trabalho deles, começamos o estudo de uma montagem bidimensional de colunas de líquidos, esperando descrever todas as instabilidades secundárias relacionadas às perdas de simetria. Acabamos de encontrar uma dessas instabilidades, mas descobrimos que estávamos diante de um sistema bastante simples, apresentando um comportamento extremamente rico. "

Em seu estudo, Mathis e seus colegas observaram que o aumento da taxa de fluxo deu origem a uma série de padrões complexos, incluindo uma rede hexagonal regular de gotas, uma rede hexagonal regular de colunas, comportamento intermitente espaço-temporalmente de colunas e, finalmente, cortinas líquidas formando ondas em espiral.

O aparelho que eles usaram é bastante simples, consistindo principalmente de um vaso cilíndrico semifechado, com óleo de silicone continuamente despejando nele através de uma entrada na parte superior e uma grade de malha fina na parte inferior. A embarcação contém uma quantidade constante de óleo, determinado pelo equilíbrio de uma pressão negativa no vaso e o peso do óleo.

O excesso de líquido no recipiente vaza pela grade e forma um filme líquido por baixo. Este filme se desestabiliza de diferentes maneiras, dependendo da taxa de fluxo de óleo e da viscosidade. Dentro deste aparelho, tudo é feito de PMMA transparente, pois isso permite fácil observação e medições de vídeo precisas com iluminação adaptada.

"A uma taxa de fluxo suficientemente alta, cortinas líquidas aparecem, movem-se como ondas e, acabam enrolando em torno de algum ponto central e formando braços espirais giratórios, "Mathis explicou." Medimos a frequência de rotação de cada braço e de todo o padrão e o comprimento dos braços. A observação principal é a formação espontânea de espirais por meio da quebra da simetria rotacional do sistema. "

Os padrões espirais podem ser encontrados em muitos sistemas, tanto em experimentos de laboratório quanto na natureza. A maioria desses padrões espirais giram, com os braços espirais seguindo a direção dessa rotação. Os padrões que giram na direção oposta são bastante raros e são chamados de anti-espirais.

"Mostramos que os padrões anti-espirais podem ser produzidos em um sistema líquido simples, para o qual conhecemos todas as equações governantes, "Harunori Yoshikawa, outro pesquisador que realizou o estudo, contado Phys.org . "Uma investigação profunda deste sistema 'bem conhecido' forneceria insights sobre as raras ocorrências de padrões anti-espirais."

O experimento realizado por Yoshikawa, Mathis e seus colegas podem abrir caminho para novos estudos que explorem a manifestação de padrões anti-espirais. Além disso, seu estudo pode fornecer uma referência para as teorias de formação de padrões.

"Agora estamos nos concentrando na modelagem teórica, buscando uma equação de modelo apropriada e as faixas de parâmetros envolvidos, "Yoshikawa disse." Esperamos revelar teoricamente as características essenciais desses processos de formação de padrões. "

Os pesquisadores também estão explorando outros padrões observados em seu sistema, já que as espirais girando internamente eram apenas uma de suas observações. Por exemplo, o regime de gotejamento e alguns dos comportamentos peculiares das colunas de líquido ainda não foram exaustivamente investigados. No estudo realizado por Mathis, Yoshikawa e seus colegas, a dinâmica das espirais parecia estar relacionada às características do próprio filme líquido, uma descoberta que eles também estão procurando explorar mais.

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