Um avião tem que estar indo muito rápido para que uma mera gota de chuva rache seu pára-brisa, mas pode acontecer. Agora, novos modelos da física por trás do feito improvável podem apenas ajudar os médicos a quebrar as pedras nos rins.

Quando os jatos supersônicos foram desenvolvidos pela primeira vez para uso comercial na década de 1960, pesquisadores descobriram um fenômeno curioso que às vezes ocorre em voos de teste através de florestas tropicais. Mesmo que as gotas de chuva não pesem quase nada, eles são capazes de criar rachaduras em forma de anel nos pára-brisas substanciais dos jatos.

Embora os cientistas inicialmente tivessem dificuldade em explicar essa curiosidade, Os professores Frank Philip Bowden e John Field, da Universidade de Cambridge, eventualmente reconheceram as ondas de superfície como as culpadas. Como as ondas de superfície se espalham em apenas duas dimensões, eles têm um impacto muito mais poderoso do que suas contrapartes tridimensionais. Certos detalhes do fenômeno, Contudo, permaneceram mal compreendidos devido à falta de matemática para descrevê-lo e configurações experimentais para validar os modelos propostos.

Em um novo artigo publicado em 1º de novembro em Pesquisa de revisão física , Pei Zhong, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke University, e seu ex-aluno de pós-graduação Ying Zhang, agora um engenheiro acústico da Bose, fecharam essa lacuna no conhecimento científico.

A dupla criou um sistema experimental para visualizar a tensão criada por essas ondas de superfície. Eles colocaram um dispositivo de litotripsia projetado para quebrar pedras nos rins com ondas sonoras em um tanque de água coberto por uma lâmina de vidro, em seguida, desencadeou uma explosão de origem pontual que se expandiu como uma onda de choque esférica. Dependendo do ângulo em que a onda de choque atinge o vidro, ele pode produzir ondas de superfície que se espalham na fronteira do copo d'água.

Com uma câmera de alta velocidade, a equipe mediu a velocidade de vários elementos de uma onda de choque durante os meros momentos que leva para se propagar através do vidro. Zhang usou essas medidas para validar um modelo de elemento finito construído usando um software multifísico chamado COMSOL. Os modelos reproduziram com sucesso as características de uma série de ondas volumosas e de superfície frequentemente observadas em tais situações, incluindo um que pode evitar que as pessoas precisem de cirurgia para remover pedras nos rins.

Os pesquisadores descobriram que o tipo de onda principal responsável pela maior parte do estresse e dos danos - chamada de onda Rayleigh com vazamento - se propaga muito mais rápido do que um segundo tipo de onda chamada onda evanescente. Embora sejam criados ao mesmo tempo no limite do copo d'água, a onda de Rayleigh com vazamento eventualmente se afasta da onda evanescente, que é o momento e o local da maior tensão de tração causada pelo fenômeno.

Eles também descobriram que as rachaduras circulares originalmente observadas nos pára-brisas do jato supersônico não se formam necessariamente neste ponto - elas exigem uma imperfeição existente no vidro para começar. Mas uma vez iniciado, a rachadura se propaga ao longo de uma trajetória circular, seguindo a primeira tensão principal no sólido desencadeada pelo avanço da onda de Rayleigh.

"O desafio do tratamento de cálculos renais é reduzir os cálculos a fragmentos muito finos, para que os médicos não tenham que fazer o acompanhamento de quaisquer procedimentos auxiliares, "disse Zhong." Com base no conhecimento obtido por meio deste modelo, podemos otimizar a forma das ondas de choque e o design do litotritor para criar mais tensão na superfície das pedras nos rins e abrir os defeitos com mais eficiência. "