Los fenómenos relacionados con la tensión superficial son extremadamente complejos y tienen aplicaciones en nuestra vida cotidiana. y los investigadores de OIST están abordando las complicadas matemáticas detrás de la física.

Los efectos de la tensión superficial son de vital importancia en muchos fenómenos cotidianos:hace que pequeñas gotas de lluvia se peguen a las ventanas, crea burbujas cuando agrega detergente en su fregadero, y propulsa a los insectos que andan por el agua en la superficie de los estanques. Incluso induce las "lágrimas de vino", un anillo de líquido transparente cerca de la parte superior del borde interior de una copa de vino del que se forman gotas continuamente y vuelven a caer en el vino que se encuentra debajo. Sin embargo, a pesar de su omnipresencia y larga historia de observaciones científicas, La tensión superficial, y la interacción de los líquidos con diferentes tensiones superficiales, aún no se comprende completamente. Frente a la complejidad del problema, Los modelos simplificados se han utilizado durante décadas. Pero ahora, Los investigadores de OIST han dado un nuevo paso hacia una comprensión más completa, reportado en el Revista de mecánica de fluidos , abordando una intrincada propiedad de la tensión superficial. El resultado revela que una aproximación comúnmente utilizada proporciona resultados sorprendentemente precisos, a pesar de la complejidad del problema.

El trabajo es una continuación de estudios previos en los que los científicos de OIST estudiaron el movimiento de las gotas de acetona impulsadas por la tensión superficial, deslizándose sobre la superficie del agua.

"Debido a que el fenómeno es tan complicado, Pensé en el sistema más simple que aún no se ha estudiado, tratando de adivinar las fuerzas aplicadas sobre la gota que la harían moverse, ", explicó el Dr. Stoffel Janssens." Este es un pequeño paso hacia la comprensión completa de cómo una gota de líquido se mueve en el agua debido a la tensión superficial ".

Los investigadores en Matemáticas, Mecánica, y la Unidad de Materiales dirigida por el Prof. Eliot Fried diseñó un dispositivo simple en forma de recipiente rectangular lleno de agua, en el que un cilindro estacionario está parcialmente sumergido. Se aplica un surfactante, una molécula orgánica que disminuye la tensión superficial, sobre la superficie del agua en un lado del cilindro. lo que permite a los científicos medir los perfiles de las porciones de la superficie del agua libres y cargadas de tensioactivos. Estas medidas ayudaron a los científicos a construir un modelo teórico que se utiliza para determinar las fuerzas que actúan sobre el cilindro.

La esencia de la complejidad reside en la geometría:la superficie del agua se curva hacia el cilindro y la curvatura depende directamente de la tensión superficial. Con un surfactante en un lado del cilindro, los perfiles de la superficie del agua en cada lado del cilindro son asimétricos debido a las diferentes curvaturas, lo que hace que el cálculo de las fuerzas sobre el cilindro sea matemáticamente más complejo. Hasta ahora, un modelo simplificado ignoró estas curvas bajo el supuesto de que la superficie del agua permanece completamente plana en ambos lados del cilindro.

Los científicos describieron el problema con tres enfoques independientes:primero calcularon numéricamente las fuerzas mecánicas aplicadas al cilindro, requiriendo la ayuda de una computadora para proporcionar soluciones para las ecuaciones complejas. Inspirado por los resultados numéricos, pasaron a un método analítico, también conocido como el método "lápiz y papel", para confirmar el modelo.

"Con el método numérico, debe proporcionar al algoritmo valores de entrada, así que, en cierto sentido, estás resolviendo las ecuaciones para casos muy específicos, ", comentó el profesor Fried." Puede hacerse una idea de lo que está sucediendo, pero no puede proporcionar una prueba general. Si lo haces analíticamente con lápiz y papel, sin haber elegido valores numéricos particulares, entonces tienes algo que se aplica en general ".

Los investigadores finalmente analizaron el problema utilizando un tercer enfoque independiente basado en la energía en lugar de las fuerzas mecánicas.

Los tres métodos conducen al mismo resultado inesperado:podemos ignorar con seguridad la curvatura de la interfaz agua-aire ya que las fuerzas calculadas son iguales a las obtenidas por el modelo simplificado, donde se supone que la superficie del agua es plana.

"No podíamos descartar la posibilidad de que ignorar la curvatura de la interfaz agua-aire condujera a errores inaceptables, "comentó el Dr. Janssens." Sorprendentemente, sin embargo, resulta que el modelo simplificado utilizado durante décadas es muy preciso ".

Además de resolver un intrincado problema, el resultado de esta investigación proporciona más confianza en mediciones como la balanza de Langmuir que se ha utilizado durante el siglo pasado. Es más, este es el primer paso hacia la comprensión del complejo fenómeno de una gota de acetona que se desliza sobre el agua debido a la tensión superficial.

"Este trabajo podría verse como un enfoque reduccionista, donde hemos dado un paso atrás de ese fenómeno tan complicado e intentamos resolverlo por partes partiendo de las características más básicas, ", concluyó el profesor Fried." Ahora podemos pasar a un problema algo más desafiante, por ejemplo, cuando se permite que el cilindro se deslice sobre el fluido ".