Às vezes, os problemas mais complexos podem ser resolvidos com as abordagens mais simples. Esse foi o caso dos pesquisadores da UC Santa Barbara enquanto tentavam resolver um problema antigo de fricção de fluidos – a resistência entre um objeto que se move através de um fluido ou, inversamente, um objeto estacionário com fluido fluindo ao seu redor ou através dele. Também é conhecido como arrastar.
“Tínhamos construído uma teoria, mas era um problema muito confuso”, disse o professor de engenharia mecânica Paolo Luzzatto-Fegiz. O problema deles lidava em particular com superfícies superhidrofóbicas (SHS), que são vistas como uma solução potencial para o problema do arrasto, um fenômeno que reduz a eficiência de coisas que viajam pela água, como navios de carga, e aumenta o gasto de energia para bombear líquidos através dela. tubos. Seus cálculos para um SHS eficaz abrangeram 10 parâmetros complexos, mas, como se vê, a capacidade de prever se um SHS funcionará como pretendido se resume a apenas um.
Suas pesquisas são publicadas no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Entrando no ritmo
Uma superfície superhidrofóbica, explicou Luzzatto-Fegiz, é projetada para minimizar o contato entre a superfície e o fluido, criando pequenas bolsas de ar. Um bom exemplo disso seria a couve fresca, quando mergulhada na água. Graças a estruturas de superfície microscópicas, as folhas seriam cobertas por um brilho prateado – uma rede de bolhas que impede que a água toque a superfície da folha, também conhecida como efeito lótus.
Para as plantas, a superhidrofobicidade resulta em um efeito de autolimpeza e ajuda a prevenir doenças transmitidas pela água, como infecções fúngicas. Para superfícies inanimadas, a mesma propriedade reduz o arrasto. Mas, embora o conceito seja válido, na prática, a padronização da superfície não surtiu o efeito desejado devido aos surfactantes, compostos que reduzem a tensão entre a água e o ar nas bolhas. Em situações do mundo real, disse Luzzatto-Fegiz, os surfactantes são inevitáveis e até mesmo uma pequena quantidade pode ser suficiente para anular o desempenho de um SHS.
No esforço de projetar uma superfície que superasse o efeito dos surfactantes, os pesquisadores tiveram que lidar com cálculos complexos envolvendo não apenas a mecânica dos fluidos (já complicada), mas também a física das moléculas do surfactante.
“Precisávamos de modelos de como essas coisas se moviam dentro da água, como pulavam de dentro da água para a interface, como eram transportadas”, disse ele. Mas ao longo de seus experimentos, modelagem e computação, surgiu um parâmetro que parecia se sobrepor a todos os outros: o comprimento das bolhas de ar.
“Quando olhamos para a matemática, decidimos nos restringir a coisas que poderiam acontecer de forma plausível”, disse Luzzatto-Fegiz. “Muitos dos parâmetros não poderiam mudar tanto na realidade.” Com essa restrição, eles perceberam que vários fatores poderiam se anular, deixando apenas a escala de comprimento dos minúsculos sulcos. Simplificando, quanto mais longa for a pequena grade que gera a bolsa de ar, menor será o efeito das moléculas de surfactante.
Acontece que há um comprimento crítico de bolsão de ar, que depende do tipo de surfactante e de sua concentração. “Se você fizer a grade mais longa, geralmente com cerca de 10 centímetros de comprimento, o surfactante não consegue resistir ao movimento do fluido”, disse ele. “E você pode obter essa redução de arrasto ideal pela qual as pessoas vêm pescando há 20 anos.”
Com esses cálculos bem resolvidos, os pesquisadores começarão a observar outros tipos de padrões SHS, como postes minúsculos, bem como outras situações da vida real, como turbulência e outros fluxos instáveis. Ser capaz de reduzir o arrasto em uma variedade de situações resultaria em navios de carga mais eficientes em termos de combustível, bombas mais eficazes e estruturas mais resilientes na água corrente.
A pesquisa neste artigo também foi conduzida pelo autor principal Fernando Temprano-Coleto (agora um pós-doutorando na Universidade de Princeton), Scott Smith e Frederic Gibou na UCSB, François Peaudecerf na ETH Zurich e Julien Landel na Universidade de Manchester. A pesquisa é apoiada pelo prêmio NSF # 2048234.
Com informações de Science Daily.
