A descoberta científica nem sempre exige um laboratório de alta tecnologia ou um orçamento robusto. Muitas pessoas têm um laboratório de primeira linha em suas próprias casas – na cozinha.



A cozinha oferece muitas oportunidades para ver e explorar o que os físicos chamam de matéria mole e fluidos complexos. Fenómenos quotidianos, como o aglomerado de Cheerios no leite ou os anéis deixados quando gotas de café evaporam, levaram a descobertas na intersecção da física e da química e a outras colaborações de bom gosto entre cientistas alimentares e físicos.

Dois estudantes, Sam Christianson e Carsen Grote, e eu publicamos um novo estudo na Nature Communications em maio de 2024, que mergulha em outra observação da cozinha. Estudamos como os objetos podem levitar em fluidos carbonatados, um fenômeno que é caprichosamente conhecido como passas dançantes.

O estudo explorou como objetos como passas podem se mover ritmicamente para cima e para baixo em fluidos carbonatados por vários minutos, até mesmo uma hora.

Um tópico no Twitter sobre nossa pesquisa se tornou viral, acumulando mais de meio milhão de visualizações em apenas dois dias. Por que esse experimento em particular captou a imaginação de tantas pessoas?

Física borbulhante

Água com gás e outras bebidas carbonatadas borbulham porque contêm mais gás do que o fluido pode suportar - elas estão "supersaturadas" com gás. Quando você abre uma garrafa de champanhe ou refrigerante, a pressão do fluido cai e as moléculas de CO₂ começam a escapar para o ar circundante.

As bolhas geralmente não se formam espontaneamente em um fluido. Um fluido é composto de moléculas que gostam de ficar juntas, então as moléculas na fronteira do fluido ficam um pouco infelizes. Isso resulta em tensão superficial, uma força que busca reduzir a área superficial. Como as bolhas adicionam área superficial, a tensão superficial e a pressão do fluido normalmente comprimem quaisquer bolhas em formação, eliminando-as da existência.

Mas manchas ásperas na superfície de um recipiente, como as gravuras em algumas taças de champanhe, podem proteger novas bolhas dos efeitos esmagadores da tensão superficial, oferecendo-lhes a oportunidade de se formarem e crescerem.

Bolhas também se formam dentro das fibras microscópicas em forma de tubo deixadas para trás depois de limpar um copo com uma toalha. As bolhas crescem continuamente nesses tubos e, quando ficam grandes o suficiente, se desprendem e flutuam para cima, transportando o gás para fora do recipiente.

Mas, como sabem muitos entusiastas do champanhe que colocam frutas em suas taças, gravuras superficiais e pequenas fibras de tecido não são os únicos lugares onde podem se formar bolhas. Adicionar um objeto pequeno como uma passa ou um amendoim a uma bebida espumante também permite o crescimento de bolhas. Esses objetos imersos atuam como novas superfícies atraentes para moléculas oportunistas como o CO₂ se acumularem e formarem bolhas.

E uma vez que bolhas suficientes tenham crescido no objeto, um ato de levitação pode ser realizado. Juntas, as bolhas podem elevar o objeto até a superfície do líquido. Uma vez na superfície, as bolhas estouram, derrubando o objeto novamente. O processo então começa novamente, em um movimento periódico de dança vertical.

Passas dançantes

As passas são particularmente boas dançarinas. Leva apenas alguns segundos para que bolhas suficientes se formem na superfície enrugada de uma passa antes que ela comece a subir - as bolhas têm mais dificuldade em se formar em superfícies mais lisas. Quando colocada em água com gás recém-aberta, uma passa pode dançar um tango vigoroso por 20 minutos e depois uma valsa mais lenta por mais ou menos uma hora.

Descobrimos que a rotação, ou giro, era extremamente importante para fazer objetos grandes dançarem. Bolhas que grudam na parte inferior de um objeto podem mantê-lo no alto mesmo depois que as bolhas superiores estourarem. Mas se o objeto começar a girar um pouquinho, as bolhas embaixo fazem o corpo girar ainda mais rápido, o que resulta em ainda mais bolhas estourando na superfície. E quanto mais cedo essas bolhas forem removidas, mais cedo o objeto poderá voltar à sua dança vertical.

Objetos pequenos, como passas, não giram tanto quanto objetos maiores, mas, em vez disso, giram, balançando rapidamente para frente e para trás.

Modelando o flamenco borbulhante

No artigo, desenvolvemos um modelo matemático para prever quantas viagens à superfície esperaríamos que um objeto como uma passa fizesse. Em um experimento, colocamos uma esfera impressa em 3D que funcionava como um modelo de passa em um copo de água com gás recém-aberto. A esfera viajou do fundo ao topo do recipiente mais de 750 vezes em uma hora.

O modelo incorporou a taxa de crescimento da bolha, bem como a forma, tamanho e rugosidade da superfície do objeto. Também levou em consideração a rapidez com que o fluido perde carbonatação com base na geometria do recipiente e, principalmente, no fluxo criado por toda aquela atividade borbulhante.

O modelo matemático nos ajudou a determinar quais forças influenciam mais a dança do objeto. Por exemplo, o arrasto do fluido sobre o objeto revelou-se relativamente sem importância, mas a relação entre a área da superfície do objeto e o seu volume era crítica.

Olhando para o futuro, o modelo também fornece uma maneira de determinar algumas quantidades difíceis de medir usando outras mais facilmente mensuráveis. Por exemplo, apenas observando a frequência de dança de um objeto, podemos aprender muito sobre a sua superfície ao nível microscópico sem ter que ver esses detalhes diretamente.

Danças diferentes em teatros diferentes

No entanto, esses resultados não são interessantes apenas para os amantes de bebidas carbonatadas. Fluidos supersaturados também existem na natureza – o magma é um exemplo.

À medida que o magma em um vulcão se aproxima da superfície da Terra, ele despressuriza rapidamente e os gases dissolvidos de dentro do vulcão correm para a saída, assim como o CO₂ na água gaseificada. Esses gases que escapam podem formar grandes bolhas de alta pressão e emergir com tanta força que ocorre uma erupção vulcânica.

O material particulado no magma pode não dançar da mesma forma que as passas na água com gás, mas pequenos objetos no magma podem afetar o desenrolar desses eventos explosivos.

As últimas décadas também testemunharam uma erupção de um tipo diferente – milhares de estudos científicos dedicados à matéria activa em fluidos. Esses estudos analisam coisas como microorganismos nadadores e o interior de nossas células cheias de líquido.

A maioria destes sistemas ativos não existe na água, mas sim em fluidos biológicos mais complicados que contêm a energia necessária para produzir atividade. Os microrganismos absorvem nutrientes do fluido ao seu redor para continuar nadando. Os motores moleculares transportam carga ao longo de uma superestrada em nossas células, puxando do meio ambiente energia próxima na forma de ATP.

O estudo desses sistemas pode ajudar os cientistas a aprender mais sobre como funcionam as células e bactérias no corpo humano e como a vida neste planeta evoluiu até o seu estado atual.

Enquanto isso, o próprio fluido pode se comportar de maneira estranha devido à composição molecular diversificada e aos corpos que se movem dentro dele. Muitos novos estudos abordaram o comportamento de microrganismos em fluidos como o muco, por exemplo, que se comporta tanto como um fluido viscoso quanto como um gel elástico. Os cientistas ainda têm muito que aprender sobre estes sistemas altamente complexos.

Embora as passas na água com gás pareçam bastante simples quando comparadas com os microrganismos que nadam em fluidos biológicos, elas oferecem uma maneira acessível de estudar características genéricas nesses ambientes mais desafiadores. Em ambos os casos, os corpos extraem energia do seu complexo ambiente fluido, ao mesmo tempo que o afectam, resultando em comportamentos fascinantes.

Novas percepções sobre o mundo físico, da geofísica à biologia, continuarão a surgir a partir de experiências à escala de mesa – e talvez mesmo na cozinha.