Três quadros consecutivos da câmera de alta velocidade enquanto o ar é forçado para dentro da suspensão de amido de milho. O espessamento de cisalhamento abrupto faz com que se fratura como um sólido. A suspensão "derrete" de volta a um líquido assim que a frente da fratura passa. Crédito:IMPACT, Swansea University
Pesquisadores da Swansea University da College of Engineering capturaram os momentos em que um fluido reage como um sólido por meio de um novo método de observação de fluido em condições pressurizadas.
A pesquisa vem do Complex Flow Lab, baseado no Institute for Innovative Materials, Processamento e tecnologias numéricas (IMPACT). O laboratório estuda os padrões de fluxo intrincados que muitas vezes se desenvolvem em materiais granulares, mídia porosa, e fluidos complexos, como espumas, géis e pastas.
Este último estudo analisa fluidos que têm uma resposta sólida ao estresse, um fenômeno denominado Discontinuous Shear Thickening (DST). É quando líquido (neste caso, uma mistura de amido de milho) engrossa abruptamente e torna-se sólida quando perturbada.
Os testes envolveram um novo método de observação envolvendo uma câmera de alta velocidade com resultados que oferecem uma abordagem inovadora para futuras práticas de engenharia.
O autor da pesquisa, Dr. Deren Ozturk, que recentemente concluiu seu Ph.D. nesta área, comentários:
"Nossas descobertas são de interesse particular para o crescente campo de pesquisa do DST, pois é uma nova indicação visual do comportamento do DST que poderia ser usada para calibrar modelos teóricos futuros. O fenômeno DST está sendo pesquisado para aplicações exclusivas de engenharia, como armadura corporal flexível, reduções de velocidade "inteligentes", e produção de alimentos.
Três padrões de fluxo:Esquerda:"Dedos viscosos" arredondados em forma de líquido em baixa concentração e baixa taxa de injeção.Médio:fraturas em forma de árvore quando a suspensão se torna espessa reversivelmente em um sólido. Direita:Grandes fraturas quando a suspensão é tão densa que ele bloqueia completamente quando o ar é injetado. Crédito:IMPACT, Swansea University
A equipe de pesquisa usou amido de milho comum misturado com água. Este é então colocado em uma célula estreita; o ar pressurizado é liberado no fluido de amido de milho e força sua passagem.
Como o ar escapa é filmado usando uma câmera de alta velocidade para visualizar os padrões de invasão - que se apresentam como dedos fluidos ou fraturas sólidas, dependendo da concentração de amido de milho e da pressão no ar. "
Dr. Ozturk continua:
"Usamos amido de milho (como um sistema modelo para a classe mais ampla de materiais de espessamento por cisalhamento) por ser conveniente, amplamente disponível e mostra uma resposta de espessamento de cisalhamento dramático. Como esse tipo de experimento de invasão (com o qual temos muita experiência) não foi realizado anteriormente em um fluido DST, nosso principal objetivo era experimentá-los na esperança de ver algo interessante.
Nossa hipótese principal era que o fluido "fraturaria" como um sólido se recebesse tensão suficiente. Isso seria ótimo de se ver, já que um fluido deve exibir padrões largos de dedos. Fomos, Portanto, encantado em ver uma resposta de fratura estreita, pois isso significa que tínhamos desenvolvido um novo tipo de experimento para sondar as condições para as quais o DST é observado. "
Coautor Dr. Bjornar Sandnes, chefe do Complex Flow Lab, comentários:
“O que é particularmente interessante sobre o amido de milho estudado aqui é que o atrito pode ser ligado ou desligado como um interruptor.
Quando apenas suavemente perturbado, os grãos se repelem e como não estão em contato não há atrito e o material flui como um líquido.
Perturbe-o com mais força, no entanto, e os grãos são empurrados para o contato de tal forma que a fricção impede que os grãos deslizem livremente. O material então se comporta mais como um sólido, e é quando observamos fraturamento em nossos experimentos. "
O artigo é publicado em Física das Comunicações .
