Um professor de engenharia ambiental da Oregon State University resolveu um mistério de décadas a respeito do comportamento dos fluidos, um campo de estudo com medicina generalizada, aplicações industriais e ambientais.

A pesquisa de Brian D. Wood, publicado no Journal of Fluid Mechanics , limpa um obstáculo que tem confundido as mentes científicas por quase 70 anos e abre o caminho para uma imagem mais clara de como os produtos químicos se misturam nos fluidos.

Uma compreensão mais completa desse princípio básico fornece uma base para avanços em uma variedade de áreas - desde como os poluentes se espalham na atmosfera até como as drogas perfundem os tecidos dentro do corpo humano.

Financiado pela National Science Foundation, O trabalho de Wood com a teoria da dispersão baseia-se na pesquisa de um dos cientistas mais talentosos da história do estado de Oregon, Octave Levenspiel. Um Ph.D. em engenharia química de 1952. graduado e mais tarde um membro do corpo docente de longa data, Levenspiel em 1957 publicou um importante artigo sobre dispersão em reatores químicos em seu caminho para se tornar o primeiro induzido da faculdade para a Academia Nacional de Engenharia.

Ainda mais importante, a pesquisa de Wood preenche uma lacuna de longa data em um dos princípios fundamentais da mecânica dos fluidos:a teoria da dispersão de Taylor. Nomeado em homenagem ao físico e matemático britânico G.I. Taylor, autor de um artigo seminal de 1953, a teoria diz respeito a fenômenos nos quais flutuações nos campos de velocidade de um fluido fazem com que os produtos químicos se espalhem dentro dele.

"O processo de propagação dispersiva tende a aumentar com o tempo até atingir um nível estável, "Wood disse." Você pode pensar nisso como análogo ao investimento em uma startup, em que as taxas de retorno podem ser inicialmente muito grandes antes de se estabelecerem em um nível mais sustentável que seja próximo da constante. "

A teoria de Taylor foi a primeira a permitir aos pesquisadores prever esse nível constante de dispersão usando o que é conhecido como equação de dispersão macroscópica. A equação pode descrever o movimento líquido de uma espécie química em um fluido - desde que tenha decorrido tempo suficiente desde o momento em que a substância química entrou no fluido.

"Essa foi uma revelação significativa na época, "Disse Wood." Estava de acordo com o que os pesquisadores estavam fazendo teoricamente em outras disciplinas, como a mecânica quântica. "

Embora a teoria de Taylor fosse bem-sucedida e revolucionária, pesquisadores ainda lutam com o problema de como a propagação dispersiva evolui a partir de sua dinâmica, comportamento inicial - o que é denominado como sua condição inicial - até quando atinge o valor mais constante previsto por Taylor.

Os cientistas encontraram algum sucesso adicionando à equação um coeficiente de dispersão dependente do tempo, mas o coeficiente criou problemas próprios, o principal sendo paradoxos.

"Por exemplo, se solutos químicos injetados em um fluido em dois momentos diferentes se sobrepõem, que tempo você atribui ao coeficiente de dispersão? ", disse Wood." O próprio Taylor entendeu isso, onde um coeficiente de dispersão dependente do tempo foi adotado, as teorias contemporâneas violavam as noções básicas de causalidade na física. "

Wood e colaboradores usaram outro cânone, a teoria das equações diferenciais parciais, para mostrar que os problemas com o coeficiente de dispersão dependente do tempo surgiram da negligência do relaxamento do soluto - o produto químico injetado no fluido, ou solução - de sua condição inicial.

"Quando as espécies químicas são injetadas pela primeira vez, seu comportamento não é necessariamente consistente com uma equação do tipo dispersão, "Wood explicou." Em vez disso, a condição inicial deve primeiro 'relaxar'. Durante este tempo, há um termo adicional para explicar o que estava faltando na equação de dispersão em macroescala de Taylor. "

Em uma equação, um termo se refere a um único número ou variável, ou números e variáveis ​​multiplicados juntos.

O termo adicionado por Wood corrige a equação de dispersão para explicar a configuração inicial das espécies químicas que se movem no fluido. Surpreendentemente, Wood disse, a teoria também resolve paradoxos em outras teorias com coeficientes de dispersão dependentes do tempo.

"Na nova teoria, nunca há dúvida sobre qual coeficiente de dispersão deve ser usado quando os solutos químicos se sobrepõem, "disse." O ajuste no processo de divulgação é contabilizado automaticamente pela presença do termo adicional. "