Hay un fenómeno de dinámica de fluidos interesante que ocurre todas las mañanas en millones de tazones de cereales. Cuando solo quedan algunos trozos de cereal flotando sobre la leche, tienden a agruparse en el medio o alrededor de los bordes del cuenco, en lugar de dispersarse por la superficie.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Brown ha desarrollado una forma de medir las fuerzas involucradas en este tipo de agrupamiento. Es la primera vez, los investigadores dicen, que estas fuerzas se han medido experimentalmente en objetos en la escala milimétrica / centimétrica. Y las implicaciones del trabajo van mucho más allá de los tazones de cereales:los resultados podrían ser útiles para guiar el autoensamblaje de micromáquinas o para diseñar robots a microescala que operen dentro y alrededor del agua.

"Ha habido muchos modelos que describen este efecto Cheerios, pero todo ha sido teórico "dijo Ian Ho, estudiante de pregrado en Brown y autor principal de un artículo que describe el trabajo. "A pesar de que esto es algo que vemos todos los días y es importante para cosas como el autoensamblaje, nadie había realizado mediciones experimentales a esta escala para validar estos modelos. Eso es lo que pudimos hacer aquí ".

La investigación se publica en Cartas de revisión física. Los coautores de Ho fueron Giuseppe Pucci, un académico visitante en Brown, y Daniel Harris, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown.

El efecto Cheerios surge de la interacción de la gravedad y la tensión superficial:la tendencia de las moléculas en la superficie de un líquido a pegarse. formando una fina película a lo largo de la superficie. Los objetos pequeños como Cheerios no son lo suficientemente pesados ​​como para romper la tensión superficial de la leche, para que floten. Su peso, sin embargo, crea una pequeña abolladura en la película superficial. Cuando una abolladura de Cheerio se acerca lo suficiente a otra, caen el uno en el otro, fusionando sus abolladuras y eventualmente formando racimos en la superficie de la leche.

Para probar con qué fuerza se atraen entre sí los Cheerios y otros objetos en el rango de tamaño y peso de Cheerio, los investigadores utilizaron un aparato hecho a medida que usa magnetismo para medir fuerzas. El experimento involucra dos discos de plástico del tamaño de Cheerio, uno de los cuales contiene un pequeño imán, flotando en una pequeña tina de agua. Las bobinas eléctricas que rodean la bañera producen campos magnéticos, que puede tirar del disco magnetizado mientras el otro se mantiene en su lugar. Midiendo la intensidad del campo magnético en el instante en que los discos comienzan a alejarse unos de otros, los investigadores pudieron determinar la cantidad de fuerza atractiva.

"El campo magnético nos dio una forma no mecánica de aplicar fuerzas a estos cuerpos, ", Dijo Harris." Eso fue importante porque las fuerzas que estamos midiendo son similares al peso de un mosquito, así que si tocamos físicamente estos cuerpos, interferiremos con la forma en que se mueven ".

Los experimentos revelaron que un modelo matemático tradicional de la interacción en realidad predice menos la fuerza de la atracción cuando los discos se colocan muy juntos. Al principio, los investigadores no estaban seguros de lo que estaba sucediendo, hasta que notaron que cuando dos discos se acercan, comienzan a inclinarse el uno hacia el otro. La inclinación hace que el disco empuje más fuerte contra la superficie del líquido, lo que a su vez aumenta la fuerza por la que el líquido empuja hacia atrás. Ese empuje adicional da como resultado una fuerza de atracción ligeramente mayor entre los discos.

"Nos dimos cuenta de que había una condición adicional que nuestro modelo no satisfacía, cuál fue esta inclinación, ", Dijo Harris." Cuando agregamos ese ingrediente al modelo, Conseguimos un acuerdo mucho mejor. Ese es el valor de ir y venir entre la teoría y el experimento ".

Los hallazgos podrían ser útiles en el diseño de máquinas y robots a microescala, dicen los investigadores. Hay interés por ejemplo, en el uso de pequeños robots con forma de araña que pueden deslizarse por la superficie del agua para realizar un monitoreo ambiental. Este trabajo arroja luz sobre los tipos de fuerzas que estos robots encontrarían.

"Si tiene varias máquinas pequeñas moviéndose o dos o más patas de un robot, necesitas saber qué fuerzas se ejercen entre sí, ", Dijo Harris." Es un área de investigación interesante, y el hecho de que podamos aportar algo nuevo es emocionante ".