Como una sola gota de lluvia cae al suelo, puede salpicar de nuevo en una hoja en forma de corona, rociando gotitas más pequeñas desde su borde antes de hundirse de nuevo a la superficie, todo en un abrir y cerrar de ojos.

Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de rastrear el grosor del borde de una gota a medida que salpica desde una variedad de superficies. Esta medida increíblemente específica, ellos dicen, es clave para predecir el número, Talla, y la velocidad de las gotas más pequeñas que se pueden expulsar del borde, dentro del Aire.

Lydia Bourouiba, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y director del Laboratorio de Dinámica de Fluidos de Transmisión de Enfermedades del MIT, dice que los resultados del grupo se pueden usar para modelar la física de los aerosoles, como los pesticidas que salpican las hojas de los cultivos, o gotas de lluvia que pueden contraer y propagar enfermedades al rebotar en superficies contaminadas.

"Nuestra investigación fundamental tiene como objetivo comprender la física de los aerosoles, e identificar los ingredientes clave que controlan los aerosoles, si se quiere minimizar las gotitas secundarias que son indeseables, o mejorar los aerosoles para revestir una superficie de manera homogénea, "Bourouiba dice." Para hacer todo eso, uno necesita saber cómo se rompe el líquido ".

Bourouiba y sus alumnos han publicado sus resultados en la revista. Cartas de revisión física . Sus coautores son los estudiantes de posgrado Yongji Wang, Raj Dandekar, Nicole Bustos, y Stephane Poulain.

Empujando hacia adelante

Durante los últimos años, El grupo de Bourouiba ha estado desarrollando algoritmos de análisis de imágenes para extraer y medir automáticamente ciertas características en videos de alta velocidad de procesos de ruptura de fluidos. Las cámaras de alta velocidad de última generación pueden capturar en su mayor parte, en cámara lenta, la evolución de una gota que salpica, un proceso que toma alrededor de varios milisegundos, durante que tiempo, miles de gotitas más pequeñas pueden ser expulsadas al aire.

Los científicos han utilizado videos de alta velocidad para medir el tamaño de las gotas expulsadas, el grosor del borde expansivo, y otras funciones de bienvenida, en gran parte a mano.

"Debido a que todas estas funciones cambian constantemente durante un breve período de tiempo, extracción de alta precisión, las mediciones no sesgadas en los datos son bastante complicadas, ", Dice Bourouiba." Los algoritmos clásicos son incapaces de capturar todos estos detalles ".

A diferencia de, Los algoritmos de su equipo pueden discernir automáticamente el borde de una gota que salpica y distinguirla de las gotas más pequeñas que salen del borde. y los ligamentos que se forman alrededor del borde. Una vez que los algoritmos hayan procesado los datos de la imagen, los investigadores pueden separar claramente el borde del resto de las características de la gota, y extraer su tamaño, en cualquier momento durante el proceso de salpicadura.

El equipo organizó varios experimentos para ver si podían detectar una tendencia común en la forma en que evoluciona el borde de una gota a medida que salpica sobre una superficie. Los investigadores probaron alrededor de 15 líquidos de diferente viscosidad y viscoelasticidad, o fibrosidad. Lanzaron gotas individuales de cada líquido desde una torre de caída de alta precisión, "una configuración que puede manipular con mucha precisión el tamaño de la gota liberada, la orientación de la superficie debajo, y las condiciones de iluminación en las que grabar la gota utilizando cámaras de alta velocidad.

El equipo lanzó cada gota en diferentes superficies, incluyendo una piscina de agua, el borde de una superficie, superficies de diferentes rugosidades, superficies recubiertas con una fina película líquida, y pequeñas superficies de tamaño comparable al de la gota, a saber, varillas.

Después de ajustar los algoritmos para analizar automáticamente cada video de gota, comenzaron a notar un patrón en la forma en que el borde de una gota evolucionaba con el tiempo. Por lo general, el borde no es liso, pero muestra ondulaciones y protuberancias. Los investigadores demostraron que la generación instantánea de estas ondas a lo largo de la llanta es independiente de la aceleración y, en cambio, está determinada principalmente por la geometría de la llanta. Sin embargo, El grosor de la llanta está relacionado con la aceleración de la llanta a medida que se expande en el aire. Cuanto mayor sea la aceleración de la llanta, cuanto más delgado es el borde, y las gotas de movimiento más rápido se desprenden a medida que se expande.

En otras palabras, es la aceleración de la llanta la que determina la cantidad de líquido que queda en la llanta y la cantidad de líquido que sale de la llanta al aire, en última instancia, en forma de gotitas.

"Es como cuando uno está en un automóvil que desacelera repentinamente, "Dice Bourouiba." La desaceleración del marco de referencia del automóvil introduce una fuerza ficticia que empuja a uno hacia adelante. Es lo mismo que se siente un volumen de líquido cuando se desacelera toda la hoja ".

Una idea clave que tuvieron los investigadores es que el cambio de aceleración a lo largo del tiempo es importante. Si una onda crece más que sus vecinas para convertirse en un bulto, la fuerza virtual instantánea que siente dada la desaceleración instantánea termina empujándolo hacia adelante más que sus vecinos, resultando en su alargamiento y desprendimiento final en forma de gota.

Establecer un vínculo

De sus observaciones experimentales, el equipo ideó una ecuación simple para predecir el grosor del borde de una gota dada su aceleración, en cualquier punto a lo largo de la llanta y en cualquier momento durante el proceso de salpicadura. La ecuación se basa en lo que se conoce como número de Bond, un número adimensional que se usa típicamente para comparar las fuerzas gravitacionales con las fuerzas inerciales.

"Si este número es muy grande, la gravedad domina, como para un gran charco de agua que se aplanará porque la gravedad lo empuja hacia abajo, "Dice Bourouiba." Por una pequeña gota, no es plano pero esférico, porque domina la tensión superficial. Si el número de Bond es igual a 1, las dos fuerzas están en equilibrio ".

Con su nueva ecuación, los investigadores cambiaron la gravedad por la aceleración instantánea de la llanta, y usó la ecuación para calcular el número de Bond, esencialmente, la relación entre las fuerzas inducidas por la aceleración de la llanta y la tensión superficial, en cualquier punto a lo largo de su llanta en cada momento. Cuanto mayor sea el número de Bond, cuanto más domina la aceleración en un punto dado a lo largo de la llanta, y es más probable que esa ubicación se rompa y libere una gota más pequeña en el aire. Cuanto menor sea el número de bonos, la tensión superficial más domina y actúa para mantener la llanta intacta.

El equipo descubrió que para llantas inestables, el número de Bond como lo definieron, permanece igual a uno en todo momento, conduciendo a un modelo teórico muy simplificado del espesor de la llanta, a pesar de la complejidad de este proceso que cambia continuamente en el tiempo.

El equipo descubrió que la teoría se sostiene en una variedad de viscosidades, incluidos líquidos tan delgados como el agua, y tan espeso como el plasma o la leche. También puede predecir cómo evoluciona la llanta cuando una gota se salpica sobre una variedad de superficies, con diferentes geometrías.

"La teoría no solo es universal en las configuraciones [de superficie], pero puede seguir aguantando para una gran familia de fluidos industriales y biológicos, por ejemplo, "Dice Bourouiba.

Previamente, los científicos solo habían podido idear una teoría para predecir el grosor de una llanta en configuraciones "estables", como una corriente continua de agua que fluye de un grifo a una velocidad constante. Se considera que tal situación es estable, ya que produciría una lámina de agua que salpique de la superficie, con un tamaño de llanta y otras propiedades que no cambiarían con el tiempo.

"Pero todos los impactos de las gotas, de las gotas de lluvia, descontaminación o fumigación de pesticidas, u otros procesos de fragmentación como estornudos, son de hecho inestables, un aspecto del problema que no se ha abordado en trabajos anteriores, "Dice Bourouiba." Demostramos que esta nueva teoría es válida para una amplia clase de problemas que son inestables ".

"Las diminutas gotas emitidas pueden transportarse muy lejos del lugar donde se produce el impacto, por ejemplo, patógenos, u otros tipos de organismos o moléculas, "dice José Manuel Gordillo, profesor de mecánica de fluidos en la Universidad de Sevilla en España. "Creo que estos hallazgos no solo ayudarán en la comprensión básica de la fragmentación inestable de las llantas en el proceso natural, sino también en aplicaciones relacionadas, por ejemplo, con la impresión ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.