Em um novo estudo publicado em Physical Review Letters , os cientistas exploram como pequenos jatos de água podem criar oscilações periódicas estáveis ​​​​em um disco sólido, descobrindo uma conexão entre esses movimentos e as ondas que eles geram e fornecendo insights sobre a interação dinâmica do comportamento dos fluidos.



Um salto hidráulico é um fenômeno que ocorre quando um líquido de fluxo rápido encontra abruptamente uma região de fluxo mais lento ou estagnada. Essa transição repentina resulta em uma mudança nas características do fluxo, causando a formação de um salto ou aumento visível na altura do líquido.

Neste processo, a energia cinética do líquido que flui rapidamente é convertida em energia potencial, levando a mudanças na velocidade e na profundidade do fluxo. Este fenômeno é comumente observado em vários ambientes, como quando um jato líquido atinge uma superfície, por exemplo, em rios ou a jusante de barragens.

Agora, investigadores franceses investigaram um cenário em que um salto hidráulico circular sofre oscilações periódicas estáveis ​​num disco sólido.

Explicando a motivação da equipe por trás do estudo, o autor principal Aurélien Goerlinger disse ao Phys.org:"O salto hidráulico é um fenômeno onipresente que parece simples. No entanto, é contra-intuitivo, pois a natureza prefere transições suaves às abruptas.

“Consequentemente, o salto hidráulico é difícil de modelar, apesar de ser estudado desde a época de Da Vinci. Como muitos aspectos fundamentais ainda precisam ser compreendidos ou mesmo descobertos, o salto hidráulico continua sendo um campo ativo de estudo para nossa equipe”.

Saltos hidráulicos circulares e jatos de água

A configuração experimental do estudo envolveu a geração de saltos hidráulicos circulares em um disco sólido usando um jato de água submilimétrico.

Os pesquisadores iniciaram um jato de água submilimétrico, com diâmetro interno de 0,84 mm, direcionado a um disco de Plexiglas com superfície com arestas em ângulo de 90 graus, posicionado 1 cm abaixo do ponto de impacto.

Este processo resultou na formação de um padrão circular de descontinuidade onde o líquido estabeleceu uma película fina ao redor do ponto de impacto. A película fina engrossou repentinamente a uma certa distância radial, dando origem à forma circular característica do salto hidráulico.

Para ajudar a visualizar esse fenômeno, Goerlinger forneceu uma analogia, afirmando:"Quando alguém abre a torneira da cozinha e olha para o fundo da pia próximo ao impacto do jato de líquido, podemos observar uma parede de líquido aproximadamente circular separando duas áreas distintas .

"A área interna, perto do jato, é rasa, mas o fluxo é rápido, enquanto a área externa é muito mais profunda, mas o fluxo também é muito mais lento. Essa parede líquida é chamada de salto hidráulico circular."

Os pesquisadores então variaram os parâmetros experimentais, incluindo a vazão (2 a 3 mL/s) e o raio do disco (1 a 6 cm). Eles observaram diferentes comportamentos com base nesses parâmetros, como saltos estacionários, estados transitórios com oscilações, estados biestáveis ​​com oscilações periódicas e oscilações periódicas estáveis ​​sistemáticas.

A análise revelou que o período de oscilação não dependia da vazão, mas mostrou uma dependência linear do raio do disco.

Curiosamente, para raios de disco superiores a 5 cm, os pontos de dados exibiram duas tendências lineares distintas com inclinações diferentes, indicando dois modos de oscilação distintos, que os investigadores chamam de modos fundamental e harmónico.

Interação entre saltos hidráulicos e ondas gravitacionais

Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para explicar as oscilações espontâneas estáveis ​​​​observadas, sugerindo que isso decorre da interação entre o salto hidráulico e as ondas gravitacionais superficiais formadas dentro da cavidade do disco.

As ondas gravitacionais superficiais se propagam ao longo da superfície do líquido e são refletidas na borda do salto hidráulico circular. Esta reflexão contribui para o estabelecimento e manutenção das oscilações. Além disso, diz-se que essas ondas são amplificadas quando se alinham com um dos modos da cavidade do disco.

Notavelmente, o modelo teórico dos investigadores não só explica as oscilações observadas, mas também fornece capacidades preditivas. Antecipou o acoplamento de jatos distantes para induzir oscilações em fases opostas, fenômeno confirmado por observação experimental.

Em termos práticos, isso significa que o fluxo e refluxo rítmicos de um jato de água podem influenciar as oscilações do outro, criando uma dança sincronizada onde os picos e depressões de um jato correspondem inversamente aos do outro.

Goerlinger destacou a importância de seu trabalho:"Apesar da extensa pesquisa sobre esse fenômeno, descobriu-se que o salto hidráulico circular permanece estacionário na maioria dos casos. No entanto, nosso estudo é o primeiro a relatar oscilações espontâneas estáveis ​​do salto hidráulico ocorrendo enquanto o jato impactante é estável. Além disso, conseguimos construir um modelo que prevê o comportamento dessas oscilações."

Possíveis aplicações e trabalhos futuros

Ao modelar com sucesso as oscilações periódicas estáveis, o arcabouço teórico contribui para uma compreensão mais profunda da complexa dinâmica envolvida nos saltos hidráulicos.

Este entendimento pode ter implicações para vários campos, incluindo dinâmica de fluidos e aplicações de engenharia relacionadas.

“Os saltos hidráulicos são de grande interesse em áreas onde são necessárias superfícies de resfriamento e limpeza. Também pode ter interesse em impressoras 3D ou de alta velocidade”, explicou Goerlinger.

Goerlinger acredita que esta pesquisa está apenas arranhando a superfície e explicou que planeja continuar a pesquisa nesta área.

"Exploramos apenas parcialmente a rica física deste novo fenômeno. Os efeitos de muitos parâmetros experimentais ainda precisam ser investigados, como propriedades dos fluidos ou geometria do substrato.

“Além disso, nosso trabalho abre caminho para o estudo das interações entre múltiplos saltos oscilantes e das interações entre saltos hidráulicos e ondas em geral”, concluiu.

Mais informações: Aurélien Goerlinger et al, Oscilações e modos de cavidade no salto hidráulico circular, Cartas de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.194001
Informações do diário: Cartas de revisão física

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