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Um dos experimentos mais comuns e úteis na prática em toda a dinâmica de fluidos envolve segurar um objeto no ar ou submergi-lo totalmente debaixo d’água, expondo-o a um fluxo constante para medir sua resistência na forma de arrasto. Estudos sobre resistência ao arrasto levaram a avanços tecnológicos no design de aviões e veículos e até avançaram na nossa compreensão dos processos ambientais.
Isso é muito mais difícil hoje em dia. Como um dos aspectos mais estudados na dinâmica dos fluidos, tornou-se difícil obter ou detalhar novas informações sobre a física simples da resistência ao arrasto a partir desses experimentos clássicos. Mas uma equipe de engenheiros liderada por cientistas da Universidade Brown conseguiu fazê-lo trazendo esse problema à superfície – isto é, à superfície da água.
Descrito em um novo artigo em Fluidos de revisão físicaos pesquisadores criaram um pequeno canal semelhante a um rio no laboratório e baixaram esferas – feitas de diferentes materiais repelentes de água – no riacho até ficarem quase totalmente submersas pela água corrente.
Os resultados do experimento ilustram a mecânica fundamental – e às vezes contra-intuitiva – de como o arrasto em um objeto parcialmente submerso pode ser várias vezes maior do que o arrasto em um objeto totalmente submerso feito do mesmo material.
Por exemplo, os investigadores – liderados pelos engenheiros da Brown, Robert Hunt e Daniel Harris – descobriram que o arrasto nas esferas aumentava no momento em que tocavam a água, independentemente do quão repelente à água fosse o material da esfera. Cada vez, o arrasto aumentou substancialmente mais do que o esperado e continuou a aumentar à medida que as esferas eram abaixadas, começando a cair apenas quando as esferas estavam totalmente abaixo da água.
“Há um período intermediário em que as esferas que entram na água criam as maiores perturbações, de modo que o arrasto é muito mais forte do que se estivesse muito abaixo da superfície”, disse Harris, professor assistente na Escola de Engenharia de Brown. “Sabíamos que o arrasto aumentaria à medida que as esferas fossem abaixadas porque elas estão bloqueando mais o fluxo constante, mas o surpreendente foi o quanto ele aumenta. Então, à medida que você empurra a esfera mais fundo, o arrasto diminui novamente.”
O estudo mostra que as forças de arrasto em objetos parcialmente submersos podem ser três ou quatro vezes maiores do que em objetos totalmente submersos. As maiores forças de arrasto, por exemplo, foram medidas pouco antes de a esfera ficar totalmente submersa, o que significa que a água está fluindo ao seu redor, mas ainda há uma pequena mancha seca projetando-se na superfície.
“Poderíamos esperar que a quantidade da esfera que está na água corresponda ao tamanho do arrasto”, disse Hunt, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Harris e primeiro autor do estudo. “Se assim for, então você pode ingenuamente aproximar o arrasto dizendo que se a esfera estiver quase 100% na água, o arrasto será quase o mesmo como se estivesse totalmente imerso abaixo da superfície. O que descobrimos é o arrasto na verdade, pode ser muito maior do que isso – e não 50%, mas mais como 300% ou 400%.”
Os pesquisadores também descobriram que o nível de repelência à água da esfera desempenha um papel fundamental nas forças de arrasto que ela experimenta. É aqui que as coisas ficam um pouco contra-intuitivas.
O experimento foi feito com três esferas idênticas, exceto que uma era revestida com um material superhidrofóbico, tornando-a muito repelente à água, enquanto as outras eram feitas de materiais cada vez menos repelentes à água.
Executando os experimentos, os pesquisadores descobriram que o revestimento superhidrofóbico encontrou mais arrasto do que as outras duas esferas. Foi uma surpresa porque eles esperavam o contrário.
“Materiais superhidrofóbicos são frequentemente propostos para reduzir o arrasto, mas, no nosso caso, descobrimos que as esferas superhidrofóbicas, quando quase totalmente imersas, têm um arrasto muito maior do que a esfera feita de qualquer outra repelência à água”, disse Hunt. “Ao tentar diminuir o arrasto, você pode aumentá-lo substancialmente.”
O artigo explica que a física simples é a causa provável.
“A água não quer nada com esta esfera superhidrofóbica, então ela faz tudo o que pode para sair do caminho da esfera”, disse Harris. “Mas o que acontece é que grande parte dela se acumula na frente dela, então acaba sendo uma parede de água que a esfera atinge. Intuitivamente, você pensaria que a água deveria passar mais livremente. A física na verdade conspira contra isso neste caso. cenário.”
As descobertas do artigo poderão um dia ter implicações para projetos e estruturas que operam em uma interface ar-água, como pequenos veículos autônomos. Por enquanto, a física autônoma desta pesquisa básica é bastante interessante, já que os estudos sobre objetos parcialmente submersos não são tão bem caracterizados ou compreendidos no campo.
“Ficamos surpresos por ninguém ter feito essas medições”, disse Harris. “É uma ideia tão simples, mas há muita física rica aqui.”
Os pesquisadores escolheram esferas como os primeiros objetos tridimensionais devido à simplicidade de sua geometria. Eles têm apenas uma escala de comprimento – o raio. A esfera atua como ponto de partida para poder reduzir a mecânica física aos seus princípios mais fundamentais antes de passar para formas mais complicadas.
“Começando do ponto mais simples, olhamos para o que é a física aqui e então, como próximo passo, começamos a aplicar nosso conhecimento a estruturas mais realistas, seja emulando uma estrutura biológica ou observando estruturas propulsivas feitas pelo homem”, disse Harris.
Hunt e seu colega de laboratório Eli Silver projetaram o aparelho de calha para criar o experimento do fluxo de água e programaram o elevador motorizado que abaixa as esferas no canal de água. O trabalho começou com uma colaboração com Yuri Bazilevs, professor da Brown’s School of Engineering. Também incluiu pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champagne, que realizaram simulações computacionais.
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