En su mayor parte, los investigadores de dinámica de fluidos han centrado sus esfuerzos para comprender los detalles de las gotas impactantes en superficies planas rígidas; el efecto de las superficies curvas, convexas o conformes en la dinámica de las gotas impactantes es aún relativamente desconocido. Esto es a pesar de su extremorelevancia para las aplicaciones de hoy en día, como la impresión de inyección de tinta en 3-D y la entrega de pesticidas en las hojas.
Un equipo de investigadores del Laboratorio de Física Técnica de la Universidad de Liverpool en el Reino Unido ahora ha detallado estos efectos al investigar el impacto de las gotas de agua en las superficies esféricas blandas. Presentan su investigación esta semana en la revista Física de fluidos , de AIP Publishing.
Utilizando un elastómero de silicona de polidimetilsiloxano PDMS, los investigadores produjeron una variedad de sustratos elásticos hemisféricos convexos. El equipo de Liverpool realizó diferentes conjuntos de experimentos, variando los parámetros de impacto, incluidas las relaciones de diámetro, el módulo elástico de polímero y los números de Weber.
"Tomamos un material blando, un polímero de silicona, y pudimos cambiar la suavidad o dureza de esta silicona, preparándola de diferentes maneras", dijo Volfango Bertola, miembro del equipo de investigación.
El análisis del equipo se centró en las cantidades que caracterizan la morfología, o la propagación y retracción, de las gotas impactantes, y los efectos que los parámetros de impacto tienen en la propagación y retracción. Usaron el procesamiento de imágenes para vislumbrar estos fenómenos, y luego para medirrangos de ángulo de dispersión, longitudes de curva húmedas y ángulos de contacto dinámicos para gotas de agua que impactan en varios polímeros.
Una técnica única de procesamiento de imágenes basada en una máscara goniométrica proporcionó mediciones del ángulo de contacto dinámico durante el impacto. Esta nueva técnica no requiere que la forma de la gota sea esférica, o incluso simétrica, y esto es lo que hizo que la medición deEl ángulo de contacto dinámico posible.
Los investigadores demostraron que la curvatura de la superficie mejora la retracción de la caída impactada. Determinaron que esto se debió a la diferencia de disipación de energía inducida por la curvatura de la superficie. Esta disipación es lo que hace que la temperatura de la gota aumente durante el impacto.
En general, se demostró que los parámetros de impacto afectan significativamente el ángulo de contacto dinámico durante el impacto. Una estimación cuantitativa de la energía de deformación mostró que esta energía cae muy por debajo de la disipación viscosa.
De los tres parámetros de impacto estudiados, se demostró que el número de Weber crea el mayor efecto sobre el ángulo de contacto dinámico. En todas las situaciones estudiadas, se observó un aumento en el número de impacto de Weber para reducir sistemáticamente el ángulo de contacto dinámico, independientemente delotros valores de parámetros de impacto. De hecho, el equipo de Liverpool descubrió que el efecto de la relación de diámetro y el módulo elástico en la dispersión es limitado.
El uso de un enfoque de conservación de energía simple para explicar la disipación de energía a través de la deformación del sustrato explica solo una pequeña porción de los resultados experimentales. El grupo determinó que este enfoque no era suficiente para explicar, específicamente, la longitud máxima de dispersión. Esto,y otros factores, provocan nuevas preguntas sobre el impacto de la caída en superficies blandas convexas; sin embargo, el proceso está en camino debido a estos científicos.
"Hay un tipo de área nueva que se puede explorar, este es el primer trabajo que habla sobre los impactos en las esferas blandas. Con suerte, esto alentará a otros a estudiarlos con mayor detalle, tanto experimental como numéricamente", dijo Bertola.
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Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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