Um estudo inédito liderado por pesquisadores da Universidade de Minnesota Twin Cities revela por que gotículas líquidas têm a capacidade de erodir superfícies duras. A descoberta pode ajudar os engenheiros a projetar materiais melhores e mais resistentes à erosão.
Usando uma técnica recém-desenvolvida, os pesquisadores conseguiram medir quantidades ocultas, como a tensão de cisalhamento e a pressão criadas pelo impacto de gotículas de líquido nas superfícies, um fenômeno que só foi estudado visualmente.
O artigo foi publicado na Nature Communications.
Os pesquisadores estudam o impacto das gotículas há anos, desde a maneira como as gotas de chuva atingem o solo até a transmissão de patógenos como o COVID-19 em aerossóis. É do conhecimento geral que gotículas de água que pingam lentamente podem corroer as superfícies ao longo do tempo. Mas por que algo aparentemente macio e fluido pode causar um impacto tão grande em superfícies duras?
“Existem ditados semelhantes nas culturas oriental e ocidental que ‘pingar água escava a pedra'”, explicou Xiang Cheng, autor sênior do artigo e professor associado do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota. “Tais ditados pretendem ensinar uma lição de moral: ‘Seja persistente. Mesmo se você for fraco, quando você continuar fazendo algo continuamente, você causará impacto.’ Mas, quando você tem algo tão macio como gotas batendo em algo tão duro como rochas, você não pode deixar de se perguntar: ‘Por que o impacto da queda causa algum dano?’ Essa pergunta é o que motivou nossa pesquisa.”
No passado, o impacto das gotículas só era analisado visualmente usando câmeras de alta velocidade. A nova técnica dos pesquisadores da Universidade de Minnesota, chamada de microscopia de estresse de alta velocidade, fornece uma maneira mais quantitativa de estudar esse fenômeno medindo diretamente a força, o estresse e a pressão sob as gotas de líquido quando atingem as superfícies.
Os pesquisadores descobriram que a força exercida por uma gota realmente se espalha com a gota impactante – em vez de se concentrar no centro da gota – e a velocidade com que a gota se espalha excede a velocidade do som em curtos momentos, criando um choque onda pela superfície. Cada gota se comporta como uma pequena bomba, liberando sua energia de impacto de forma explosiva e dando-lhe a força necessária para erodir superfícies ao longo do tempo.
Além de abrir uma nova maneira de estudar o impacto de gotículas, esta pesquisa pode ajudar os engenheiros a projetar superfícies mais resistentes à erosão para aplicações que devem resistir aos elementos externos. Cheng e seu laboratório na Universidade de Minnesota Twin Cities já planejam expandir essa pesquisa para estudar como diferentes texturas e materiais alteram a quantidade de força criada por gotículas líquidas.
“Por exemplo, pintamos a superfície de um edifício ou revestimos as pás das turbinas eólicas para proteger as superfícies”, disse Cheng. “Mas com o tempo, as gotas de chuva ainda podem causar danos por impacto. Portanto, nossa pesquisa após este artigo é ver se podemos reduzir a quantidade de tensão de cisalhamento das gotas, o que nos permitiria projetar superfícies especiais que podem mitigar o estresse. ”
Além de Cheng, a equipe de pesquisa incluiu o Ph.D. em engenharia química da Universidade de Minnesota. estudante Ting-Pi Sun, Universidade de Santiago, Chile Professor Assistente Leonardo Gordillo e alunos de graduação Franco Álvarez-Novoa e Klebbert Andrade, e Universidade O’Higgins, Chile Professor Assistente Pablo Gutiérrez.
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