Los investigadores analizan con detalles únicos e impresionantes cuando una gota cae e impacta en una superficie líquida
Las formas que generan las gotas al caer en piscinas han sido estudiadas con cámaras de muy alta velocidad y los científicos han definido las formas que generan (cráter, corona, etc.) tras su impacto.
La lluvia puede caer en caída libre a velocidades de hasta 40 kilómetros por hora. Si las gotas caen en un charco o estanque, pueden formar una salpicadura con forma de corona que, con suficiente fuerza, puede desprender las partículas de la superficie y lanzarlas al aire.
Ahora, los científicos del MIT han tomado vídeos de alta velocidad de gotas que salpican en una piscina profunda, para seguir cómo evoluciona el fluido, por encima y por debajo de la línea de agua, cuadro por cuadro de milisegundo. Su trabajo podría ayudar a predecir cómo las gotas que salpican, como las de las tormentas y los sistemas de riego, pueden impactar en las superficies acuosas y aerosolizar partículas superficiales, como el polen en los charcos o los pesticidas en la escorrentía agrícola.
El equipo llevó a cabo experimentos en los que arrojaron gotas de agua de distintos tamaños y desde distintas alturas a un estanque de agua. Mediante imágenes de alta velocidad, midieron cómo se deformaba el estanque de líquido cuando la gota impactaba contra la superficie del estanque.
En todos sus experimentos, observaron una evolución común de las salpicaduras: cuando una gota caía en la piscina, se deslizaba hacia abajo y formaba un "cráter" o cavidad. Casi al mismo tiempo, una pared de líquido se elevaba por encima de la superficie y formaba una corona.
Curiosamente, el equipo observó que pequeñas gotas secundarias se expulsaban de la corona antes de que esta alcanzara su altura máxima. Toda esta evolución ocurre en una fracción de segundo.
Crédito del vídeo: R. Dandekar et al.
Los científicos han capturado instantáneas de salpicaduras de gotas en el pasado, como la famosa "Corona de gota de leche": una foto de una gota de leche en medio de una salpicadura, tomada por el difunto profesor del MIT Harold "Doc" Edgerton, quien inventó una técnica fotográfica para capturar objetos en rápido movimiento.
El nuevo trabajo representa la primera vez que los científicos han utilizado imágenes de tan alta velocidad para modelar toda la dinámica de salpicadura de una gota en una piscina profunda, combinando lo que sucede tanto por encima como por debajo de la superficie.
El equipo ha utilizado las imágenes para recopilar nuevos datos fundamentales para construir un modelo matemático que predice cómo se transformará y fusionará la forma de una gota al impactar contra la superficie de una piscina. Planean utilizar el modelo como base para explorar hasta qué punto una gota que salpica podría arrastrar y lanzar partículas desde el agua de la piscina.
"Los impactos de las gotas sobre las capas de líquido son omnipresentes", dice la autora del estudio Lydia Bourouiba, profesora de los departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Mecánica del MIT, y miembro principal del Instituto de Ingeniería y Ciencia Médica (IMES).
"Estos impactos pueden producir miríadas de gotitas secundarias que podrían actuar como portadoras de patógenos, partículas o microbios que se encuentran en la superficie de las piscinas impactadas o de los cuerpos de agua contaminados. Este trabajo es clave para permitir la predicción de las distribuciones del tamaño de las gotitas y, potencialmente, también de lo que dichas gotas pueden transportar consigo".
Bourouiba y sus alumnos han publicado sus resultados en el Journal of Fluid Mechanics.
Los coautores del MIT incluyen al ex estudiante de posgrado Raj Dandekar Ph.D., al posdoctorado (Eric) Naijian Shen y al estudiante tutelado Boris Naar.
Arriba y abajo
En el MIT, Bourouiba dirige el Laboratorio de Dinámica de Fluidos de Transmisión de Enfermedades, parte de la Red de Fluidos y Salud, donde ella y su equipo exploran la física fundamental de los fluidos y las gotas en una variedad de contextos ambientales, energéticos y de salud, incluida la transmisión de enfermedades.
Para su nuevo estudio, el equipo buscó comprender mejor cómo las gotas impactan en una piscina profunda, un fenómeno aparentemente simple que, sin embargo, ha sido difícil de capturar y caracterizar con precisión.
Bourouiba señala que recientemente se han producido avances en la modelización de la evolución de una gota que salpica bajo la superficie de una piscina.
Hasta ahora, los científicos se han centrado en la evolución de esta cavidad submarina, principalmente para aplicaciones en la recolección de energía. Lo que sucede sobre el agua y cómo la forma de corona de una gota evoluciona con la cavidad que se encuentra debajo, seguía siendo menos comprendido.
"Las descripciones y la comprensión de lo que sucede debajo y encima de la superficie han permanecido muy divorciadas", dice Bourouiba, quien cree que esa comprensión puede ayudar a predecir cómo las gotas lanzan y propagan sustancias químicas, partículas y microbios al aire.
Salpicaduras en 3D
Para estudiar la dinámica acoplada entre la cavidad y la corona de una gota, el equipo preparó un experimento para arrojar gotas de agua a una piscina profunda. Para los fines de su estudio, los investigadores consideraron que una piscina profunda es una masa de agua lo suficientemente profunda como para que una gota que salpicara permaneciera lejos del fondo de la piscina.
En estos términos, encontraron que una piscina con una profundidad de al menos 20 centímetros era suficiente para sus experimentos.
Variaron el tamaño de cada gota, con un diámetro medio de unos 5 milímetros. También arrojaron gotas desde distintas alturas, lo que hizo que cayeran sobre la superficie de la piscina a distintas velocidades, que en promedio fueron de unos 5 metros por segundo. La dinámica general, dice Bourouiba, debería ser similar a lo que ocurre en la superficie de un charco o estanque durante una tormenta de lluvia normal.
Utilizando técnicas de imágenes de alta velocidad inspiradas en la fotografía pionera de Edgerton, el equipo capturó videos de gotas salpicando piscinas, a velocidades de hasta 12.500 cuadros por segundo.
Luego aplicaron métodos internos de procesamiento de imágenes para extraer mediciones clave de las secuencias de imágenes, como el ancho y la profundidad cambiantes de la cavidad submarina y el diámetro y la altura evolutivos de la corona ascendente.
Los investigadores también capturaron mediciones especialmente difíciles del perfil del espesor de la pared de la corona y del flujo interno (el cilindro que se eleva desde la piscina justo antes de formar un borde y puntos característicos de una corona).
"Esta pared cilíndrica de líquido ascendente y su evolución en el tiempo y el espacio son la base de todo", afirma Bourouiba. "Es lo que conecta el fluido de la piscina con lo que irá al borde y luego será expulsado al aire a través de gotitas secundarias más pequeñas".
Los investigadores trabajaron los datos de la imagen en un conjunto de "ecuaciones de evolución", o un modelo matemático que relaciona las diversas propiedades de una gota que impacta, como el ancho de su cavidad y los perfiles de espesor y velocidad de su pared de corona, y cómo estas propiedades cambian con el tiempo, dado el tamaño inicial de la gota y la velocidad de impacto.
"Ahora tenemos una expresión matemática de forma cerrada que la gente puede usar para ver cómo todas estas cantidades de una gota que salpica cambian en el espacio y el tiempo", dice el coautor Shen, quien planea, con Bourouiba, aplicar el nuevo modelo al comportamiento de las gotas secundarias y entender cómo una salpicadura termina dispersando partículas como patógenos y pesticidas.
"Esto abre la posibilidad de estudiar todos estos problemas de salpicaduras en 3D, con ecuaciones cerradas y autónomas, algo que antes no era posible".
Referencia
R. Dandekar et al, Splash on a liquid pool: coupled cavity-sheet unsteady dynamics, Journal of Fluid Mechanics (2024). DOI: 10.1017/jfm.2024.1105