Objetos parcialmente submersos sofrem mais arrasto que totalmente submersos

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/09/2023

Medio do arrasto

Estudos sobre resistncia ao arrasto levaram a avanos tecnolgicos no design de avies, carros, navios e submarinos, e at melhoraram nossa compreenso dos processos ambientais.

Um dos experimentos mais comuns e teis na prtica em todo o campo da dinmica dos fluidos envolve segurar um objeto no ar ou submergi-lo totalmente, expondo-o a um fluxo constante para medir sua resistncia na forma de arrasto.

Apesar dos inmeros ensaios desse tipo, e at de laboratrios inteiros dedicados a isso, ainda havia algo a se descobrir, conforme acabam de demonstrar Robert Hunt e colegas da Universidade Brown, nos EUA.

A surpresa veio quando a equipe trabalhou no com objetos envoltos por um fluido, como o ar ou a gua, mas com o objeto apenas parcialmente imerso no fluido. Para isso, os pesquisadores criaram no laboratrio um pequeno canal, semelhante a um rio, e baixaram esferas, feitas de diferentes materiais repelentes gua, at que elas ficassem quase totalmente submersas pela correnteza de gua.

Os resultados, totalmente contraintuitivos, revelaram que o arrasto em um objeto parcialmente submerso pode ser vrias vezes maior do que o arrasto quando o mesmo objeto est totalmente submerso.

Pior na superfcie do que submerso

Os experimentos mostraram que o arrasto nas esferas aumenta no momento em que tocam a gua, no importando quo repelente gua seja o material de que a esfera feita. Em todas as vezes, o arrasto aumentou substancialmente mais do que o esperado e continuou a aumentar medida que as esferas eram abaixadas, comeando a cair apenas quando as esferas estavam totalmente abaixo da gua.

“H um perodo intermedirio em que as esferas que entram na gua criam as maiores perturbaes, de modo que o arrasto muito mais forte do que se elas estivessem muito abaixo da superfcie,” disse o professor Daniel Harris. “Sabamos que o arrasto aumentaria medida que as esferas fossem abaixadas porque elas esto bloqueando uma poro maior do fluxo constante, mas o surpreendente foi o quanto ele aumenta. Ento, medida que voc empurra a esfera mais fundo, o arrasto diminui novamente.”

Os experimentos tambm mostraram que o nvel de repelncia gua de cada esfera desempenha um papel fundamental nas foras de arrasto que ela experimenta. Mas aqui que as coisas ficam ainda mais contraintuitivas.

O experimento foi feito com trs esferas de mesma massa e dimetro, uma delas revestida com um material superhidrofbico, tornando-a muito repelente gua, enquanto as outras eram revestidas com materiais com dois graus menores de repelncia gua.

O inesperado que a esfera com revestimento superhidrofbico experimenta mais arrasto do que as outras duas esferas, quando seria de se esperar justamente o contrrio.

“Materiais superhidrofbicos so frequentemente propostos para reduzir o arrasto, mas, no nosso caso, descobrimos que as esferas superhidrofbicas, quando quase totalmente imersas, tm um arrasto muito maior do que a esfera feita de qualquer outra repelncia gua,” disse Hunt. “Ao tentar diminuir o arrasto, voc pode aument-lo substancialmente.”

Rumo s complexidades

Embora ainda no haja uma explicao definitiva para o fenmeno – e como tirar proveito dele – a equipe tem uma hiptese.

“A gua no quer nada com esta esfera superhidrofbica, ento ela faz tudo o que pode para sair do caminho da esfera,” prope Harris. “Mas o que acontece que grande parte dela se acumula na frente da esfera, ento acaba sendo uma parede de gua que a esfera atinge. Intuitivamente, voc pensaria que a gua deveria passar mais livremente. A fsica na verdade conspira contra isso neste cenrio.”

Os pesquisadores escolheram esferas como os primeiros objetos tridimensionais devido simplicidade de sua geometria. Elas tm apenas uma escala de comprimento – o raio. Assim, a esfera funciona como ponto de partida para poder reduzir a mecnica fsica aos seus princpios mais fundamentais, antes de passar para formas mais complicadas, como navios ou submarinos.

“Comeando do ponto mais simples, olhamos para como a fsica aqui e ento, como prximo passo, comearemos a aplicar nosso conhecimento a estruturas mais realistas, seja emulando uma estrutura biolgica ou observando estruturas propulsivas feitas pelo homem,” disse Harris.

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