Objetos na superfície da água sofrem mais arrasto que totalmente submersos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/09/2023

Surpreendentemente, o arrasto em um objeto parcialmente submerso pode ser várias vezes maior que o arrasto em um objeto totalmente submerso.
[Imagem: Harris Lab]

Medição do arrasto

Estudos sobre resistência ao arrasto levaram a avanços tecnológicos no design de aviões, carros, navios e submarinos, e até melhoraram nossa compreensão dos processos ambientais.

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

Apesar dos inúmeros ensaios desse tipo, e até de laboratórios 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 não com objetos envoltos por um fluido, como o ar ou a água, mas com o objeto apenas parcialmente imerso no fluido. Para isso, os pesquisadores criaram no laboratório um pequeno canal, semelhante a um rio, e baixaram esferas, feitas de diferentes materiais repelentes à água, até que elas ficassem quase totalmente submersas pela correnteza de água.

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

O arrasto aumenta conforme a esfera é mergulhada, só voltando a cair quando ela está totalmente submersa.
[Imagem: Harris Lab]

Pior na superfície do que submerso

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

"Há um período intermediário em que as esferas que entram na água criam as maiores perturbações, de modo que o arrasto é muito mais forte do que se elas estivessem muito abaixo da superfície," disse o professor Daniel Harris. "Sabíamos que o arrasto aumentaria à medida que as esferas fossem abaixadas porque elas estão bloqueando uma porção maior do fluxo constante, mas o surpreendente foi o quanto ele aumenta. Então, à medida que você empurra a esfera mais fundo, o arrasto diminui novamente."

Os experimentos também mostraram que o nível de repelência à água de cada esfera desempenha um papel fundamental nas forças de arrasto que ela experimenta. Mas é aqui que as coisas ficam ainda mais contraintuitivas.

O experimento foi feito com três esferas de mesma massa e diâmetro, uma delas revestida com um material superhidrofóbico, tornando-a muito repelente à água, enquanto as outras eram revestidas com materiais com dois graus menores de repelência à água.

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

"Materiais superhidrofóbicos são frequentemente propostos para reduzir o arrasto, mas, no nosso caso, descobrimos que as esferas superhidrofóbicas, quando quase totalmente imersas, têm um arrasto muito maior do que a esfera feita de qualquer outra repelência à água," disse Hunt. "Ao tentar diminuir o arrasto, você pode aumentá-lo substancialmente."

O fenômeno ainda precisa ser completamente explicado.
[Imagem: Robert Hunt et al. - 10.1103/PhysRevFluids.8.084003]

Rumo às complexidades

Embora ainda não haja uma explicação definitiva para o fenômeno - e como tirar proveito dele - a equipe tem uma hipótese.

"A água não quer nada com esta esfera superhidrofóbica, então ela faz tudo o que pode para sair do caminho da esfera," propõe Harris. "Mas o que acontece é que grande parte dela se acumula na frente da esfera, então acaba sendo uma parede de água que a esfera atinge. Intuitivamente, você pensaria que a água deveria passar mais livremente. A física na verdade conspira contra isso neste cenário."

Os pesquisadores escolheram esferas como os primeiros objetos tridimensionais devido à simplicidade de sua geometria. Elas têm apenas uma escala de comprimento - o raio. Assim, a esfera funciona como ponto de partida para poder reduzir a mecânica física aos seus princípios mais fundamentais, antes de passar para formas mais complicadas, como navios ou submarinos.

"Começando do ponto mais simples, olhamos para como é a física aqui e então, como próximo passo, começaremos a aplicar nosso conhecimento a estruturas mais realistas, seja emulando uma estrutura biológica ou observando estruturas propulsivas feitas pelo homem," disse Harris.

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