Sumergir esferas calientes en líquidos viscosos revela una forma de reducir la resistencia a los fluidos sin complejos procedimientos de ingeniería.

El deslizamiento errático de las gotas de agua alrededor de las sartenes chisporroteantes ocurre cuando las capas de vapor atrapado hacen que las gotas floten brevemente. Un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST), Arabia Saudita, ha demostrado que este proceso, conocido como el efecto Leidenfrost, se puede utilizar para reducir significativamente las fuerzas de arrastre que enfrentan los objetos que viajan a través de líquidos.

Las puntadas especiales de una pelota de béisbol y los hoyuelos en las pelotas de golf no son solo cosméticos. A velocidades suficientes, estas texturas rugosas hacen que una fina capa límite de aire que fluye sobre la esfera se comporte de manera turbulenta y reduzca la fricción a un nivel por debajo del de las superficies lisas. Esta llamada crisis de arrastre permite que estas bolas alcancen trayectorias más largas y estables.

Recientemente, Siggi Thoroddsen, Catedrático de Ingeniería Mecánica, e Ivan Vakarelski de KAUST investigaron técnicas para activar el arrastre sin invocar el fenómeno de la crisis. Lo lograron invirtiendo los procedimientos habituales de Leidenfrost y sumergiendo esferas calientes en líquidos. Con suficiente evaporación, Se formó una capa de vapor que actuó como lubricante para reducir la fricción líquido-sólido. Este enfoque permitió que las esferas calientes se movieran dos veces más rápido que los orbes más fríos durante los experimentos de caída libre.

Sin embargo, Tanto la crisis de arrastre como la levitación inducida por Leidenfrost tienen lugar bajo un rango estrecho de un parámetro, conocido como el número de Reynolds, que relaciona la viscosidad y la densidad del fluido con el tamaño y la velocidad de una esfera en movimiento. En su último trabajo, Vakarelski, Thoroddsen y sus colaboradores en Australia utilizaron líquidos con propiedades estabilizadoras únicas para expandir drásticamente las condiciones bajo las cuales las capas de vapor de Leidenfrost disminuyen las fuerzas de arrastre.

Los investigadores dejaron caer las esferas hirvientes en tanques verticales altos que contenían perfluorocarbonos, líquidos que se utilizan a menudo como refrigerantes que se evaporan más fácilmente que el agua. Las cámaras de video de alta velocidad capturaron las trayectorias de caída libre de esferas en perfluorocarbonos con viscosidades muy diferentes para explorar una variedad de condiciones de arrastre. Asombrosamente, la capa de vapor redujo la fricción mucho más de lo esperado, y lo hizo con éxito para los números de Reynolds que abarcaban tres órdenes de magnitud.

El modelado de este proceso reveló que el efecto Leidenfrost indujo al líquido que fluía alrededor de la esfera a deslizarse y tomar diferentes velocidades. Thoroddsen explicó que, "A medida que introducimos más deslizamientos, esto reduce progresivamente la resistencia. El deslizamiento parcial está determinado por la viscosidad relativa del líquido y las moléculas de gas en la capa de vapor ".

El equipo anticipa que las capas de vapor se sostienen naturalmente en superficies superhidrofóbicas, o inducido mediante inyección de burbujas, puede estimular el desarrollo de técnicas de corte por fricción inesperadas. "Estos experimentos solo dan un límite superior para la reducción de la resistencia, una vez que los ingenieros ven las posibilidades, la recompensa potencial podría ser grande, "añadió Thoroddsen.