Un nuevo estudio resuelve el misterio de cómo las gotas de líquido blando erosionan las superficies duras

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Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities muestra por qué las gotas de líquido tienen la capacidad de erosionar superficies duras, un descubrimiento que podría ayudar a los ingenieros a diseñar materiales más resistentes a la erosión. La imagen de arriba muestra el impacto que pueden tener las gotas en una superficie arenosa granular (izquierda) frente a una superficie dura de yeso (derecha). Crédito: Grupo de Investigación Cheng, Universidad de Minnesota

Un estudio pionero dirigido por investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities revela por qué las gotas de líquido tienen la capacidad de erosionar superficies duras. El descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a diseñar materiales mejores y más resistentes a la erosión.


Usando una técnica recientemente desarrollada, los investigadores pudieron medir cantidades ocultas, como el esfuerzo cortante y la presión creada por el impacto de gotitas de liquido en las superficies, un fenómeno que solo se ha estudiado visualmente.

El artículo está publicado en Comunicaciones de la naturaleza.

Los investigadores han estado estudiando el impacto de gotas durante años, desde la forma en que las gotas de lluvia golpean el suelo hasta la transmisión de patógenos como el COVID-19 en aerosoles. Es conocimiento común que las gotas de agua que gotean lentamente pueden erosionar las superficies con el tiempo. Pero, ¿por qué algo aparentemente suave y fluido puede tener un impacto tan grande en las superficies duras?

«Hay dichos similares tanto en el este como en el culturas occidentales que ‘El agua que gotea ahueca la piedra'», explicó Xiang Cheng, autor principal del artículo y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota. «Tales dichos pretenden enseñar una lección moral: ‘Sé persistente. Incluso si eres débil, cuando sigues haciendo algo continuamente, tendrás un impacto.’ Pero, cuando tienes algo tan suave como gotas que golpean algo tan duro como rocas, no puedes evitar preguntarte: ‘¿Por qué el impacto de la caída causa algún daño?’ Esa pregunta es lo que motivó nuestra investigación».

Mire un video que demuestra en cámara lenta cómo una gota de agua golpea una superficie arenosa. Crédito: Universidad de Minnesota

En el pasado, el impacto de las gotas solo se analizaba visualmente utilizando cámaras de alta velocidad. La nueva técnica de los investigadores de la Universidad de Minnesota, llamada microscopía de estrés de alta velocidad, proporciona una forma más cuantitativa de estudiar este fenómeno al medir directamente la fuerza, el estrés y la presión debajo de las gotas de líquido cuando golpean las superficies.

Los investigadores descubrieron que la fuerza ejercida por una gota en realidad se extiende con la gota que impacta, en lugar de concentrarse en el centro de la gota, y la velocidad a la que la gota se extiende supera la velocidad del sonido en períodos breves, lo que genera un impacto. onda a través de la superficie. Cada gota se comporta como una pequeña bomba, liberando su energía de impacto de forma explosiva y dándole la fuerza necesaria para erosionar las superficies con el tiempo.

Además de allanar una nueva forma de estudiar el impacto de las gotas, esta investigación podría ayudar a los ingenieros a diseñar superficies más resistentes a la erosión para aplicaciones que deben soportar los elementos exteriores. Cheng y su laboratorio en la Universidad de Minnesota Twin Cities ya planean expandir esta investigación para estudiar cómo las diferentes texturas y materiales cambian la cantidad de fuerza creada por las gotas de líquido.

«Por ejemplo, pintamos la superficie de un edificio o cubrimos las palas de las turbinas eólicas para proteger las superficies», dijo Cheng. «Pero con el tiempo, las gotas de lluvia aún podrían causar daños por impacto. Por lo tanto, nuestra investigación después de este artículo es para ver si podemos reducir la cantidad de Esfuerzo cortante de gotas, lo que nos permitiría diseñar superficies especiales que puedan mitigar el estrés».

Además de Cheng, el investigación El equipo incluyó el doctorado en ingeniería química de la Universidad de Minnesota. estudiante Ting-Pi Sun, Universidad de Santiago, Chile Profesor Asistente Leonardo Gordillo y estudiantes de pregrado Franco Álvarez-Novoa y Klebbert Andrade, y Universidad O’Higgins, Chile Profesor Asistente Pablo Gutiérrez.


La conducción de calor es importante para la dinámica de las gotas.


Más información:
Distribución de tensiones y onda de choque superficial del impacto de una caída, Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29345-x

Proporcionado por
Universidad de Minnesota

Citación: Un nuevo estudio resuelve el misterio de cómo las gotas de líquido blando erosionan las superficies duras (31 de marzo de 2022) consultado el 31 de marzo de 2022 en https://phys.org/news/2022-03-mystery-soft-liquid-droplets-erode.html

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