Hay un fenómeno interesante de dinámica de fluidos que ocurre todas las mañanas en millones de tazones de cereal. Cuando quedan unos pocos pedazos de cereal flotando sobre la leche, tienden a agruparse en el medio o alrededor de los bordes del tazón, 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 agrupación. Es la primera vez, dicen los investigadores, que estas fuerzas se han medido experimentalmente en objetos a escala milímetro / centímetro. YLas 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 operan dentro y alrededor del agua.
"Ha habido muchos modelos que describen este efecto Cheerios, pero todo ha sido teórico", dijo Ian Ho, un estudiante universitario de Brown y autor principal de un artículo que describe el trabajo. "A pesar de que esto es algo que nosotrosver todos los días y es importante para cosas como el autoensamblaje, nadie había hecho ninguna medición experimental 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 erudito 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 película delgada a través de la superficie. Los objetos pequeños como Cheerios no son lo suficientemente pesados como para romper ella tensión superficial de la leche, por lo que flotan. Sin embargo, su peso crea una pequeña abolladura en la película superficial. Cuando una abolladura Cheerio se acerca lo suficiente a la otra, caen una en la otra, fusionando sus abolladuras y finalmente formando grupos en la leche.superficie.
Para probar cuán fuertemente se atraen los Cheerios, y otros objetos en el rango de tamaño y peso de Cheerio, los investigadores usaron un aparato personalizado que usa magnetismo para medir fuerzas. El experimento involucra dos Cheerio de tamañodiscos de plástico, uno de los cuales contiene un pequeño imán, flotando en una pequeña tina de agua. Las bobinas eléctricas que rodean la tina producen campos magnéticos, que pueden alejar el disco magnetizado mientras que el otro se mantiene en su lugar. Al medir la intensidad de la magnéticaEn el momento en que los discos comienzan a separarse, los investigadores podrían determinar la cantidad de fuerza de atracción.
"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 estamos físicamentetocando estos cuerpos vamos a interferir con la forma en que se mueven "
Los experimentos revelaron que un modelo matemático tradicional de la interacción realmente subestima 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 eran dos discosse acercan, comienzan a inclinarse 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 cual el líquido empuja hacia atrás. Ese empuje adicional resulta en una fuerza atractiva ligeramente aumentada entrelos discos
"Nos dimos cuenta de que había una condición adicional de que nuestro modelo no era satisfactorio, que era esta inclinación", dijo Harris. "Cuando agregamos ese ingrediente al modelo, obtuvimos un acuerdo mucho mejor. Ese es el valor de irida y vuelta entre teoría y experimento "
Los hallazgos podrían ser útiles en el diseño de máquinas y robots a microescala, dicen los investigadores. Existe interés, por ejemplo, en el uso de pequeños robots con forma de araña que pueden deslizarse por la superficie del agua para hacer un monitoreo ambiental. Este trabajo arroja luzsobre el tipo de fuerzas que estos robots encontrarían.
"Si tiene varias máquinas pequeñas moviéndose alrededor de dos o más patas de un robot, necesita saber qué fuerzas ejercen entre sí", dijo Harris. "Es un área interesante de investigación y el hecho de quepodría contribuir algo nuevo es emocionante "
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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