Invisibilidade para fluidos deixa todos os canos sem obstáculos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/02/2022

Berço de testes da camuflagem de obstáculos para fluidos.
[Imagem: Fuyang Tay et al. - 10.1093/nsr/nwab205]

Fluxos que não veem obstáculos

Os mantos de invisibilidade encontraram mais uma aplicação no mundo real: O controle do fluxo de líquidos no interior de dutos e canos.

Mantos de invisibilidade são apenas uma das aplicações dos metamateriais, materiais artificiais capazes de lidar com todos os tipos de ondas, das ondas de luz às ondas do mar ou de terremotos.

Mas talvez não seja necessária a presença de ondas - e nem mesmo a utilização dos metamateriais - para se criar um efeito que imita a invisibilidade.

Fuyang Tay e seus colegas da Universidade Tecnológica de Nanyang, na China, deram-se conta de que, se não houver nenhum obstáculo, um fluido flui ao longo de uma linha reta de modo semelhante à luz se propagando no vácuo.

Mas, tão logo um obstáculo seja encontrado, o fluxo se desviará e o fluido se espalhará por todo o espaço. Se você detectar e medir as distorções das linhas de corrente do fluxo, conseguirá facilmente deduzir o tamanho, a forma e a posição do obstáculo.

Tay então inverteu toda essa matemática, usando o obstáculo para refazer as linhas de corrente.

Com isto, o pesquisador idealizou um manto de invisibilidade para os fluidos correndo dentro de um duto - ele o chama de "manto de fluxo de fluido" - cujo objetivo é ocultar as distorções geradas pelo obstáculo e restaurar as linhas de corrente retas originais.

O manto controla a velocidade do fluxo do fluido, orientando-o a fluir mais rápido mais próximo do obstáculo e mais lento mais longe dele. Desta forma, o fluido, uma vez atravessado o obstáculo, retorna ao caminho original e continua a fluir em linha reta, como se o obstáculo não estivesse ali - o obstáculo fica invisível ao fluido.

• Objeto fica invisível esfriando-se água em seu interior

Quadro estático da filmagem que a equipe fez dos fluidos em um canal de referência (esquerda), sem a camuflagem (centro) e com o manto de invisibilidade para fluidos (direita).
[Imagem: Fuyang Tay et al. - 10.1093/nsr/nwab205]

Invisibilidade para fluidos

De acordo com a equação de Bernoulli, a velocidade do fluxo de um fluido é inversamente proporcional à raiz quadrada da densidade de massa do fluido. Em outras palavras, para controlar a velocidade do fluxo de um fluido é necessário projetar criteriosamente a densidade de massa do fluido. Metamateriais complexos, embora difíceis de implementar na prática, podem fazer isso com uma certa facilidade.

Mas Tay não queria complicações, então abordou o problema de uma perspectiva diferente: Ele encontrou uma maneira alternativa de controlar a densidade de massa do fluido simplesmente reprojetando a espessura do canal: Um canal de fluido mais espesso dá origem a uma densidade de massa menor, onde o fluido flui mais rápido, e vice-versa.

Assim, um manto de invisibilidade em larga escala pode ser implementado simplesmente tornando o duto mais largo próximo ao obstáculo e mais fino mais distante dele.

Usos do micro ao macro

Para demonstrar o efeito da camuflagem, a equipe gravou a dinâmica dos fluidos em tempo real e comparou os fluxos de fluidos em três casos: (1) um fluxo ao longo de um caminho reto em um canal homogêneo; (2) um fluxo que se depara com um obstáculo e (3) um fluxo com o manto de invisibilidade.

Os resultados foram impressionantes, com as linhas retas fora do manto de invisibilidade permanecendo semelhantes às do primeiro caso, usado como referência.

A equipe acredita que seu manto de fluxo de fluido poderá ser implementado em larga escala, e não apenas em grandes dutos e em ambientes industriais - para lidar com a turbulência ou para tornar torneiras, válvulas e pontos de coleta invisíveis, por exemplo - como também para o controle em canais de microfluidos, como os biochips e toda a tecnologia microfluídica.

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