Come una singola goccia di pioggia cade a terra, può schizzare di nuovo in un lenzuolo simile a una corona, spruzzando goccioline più piccole dal bordo prima di tornare in superficie, il tutto in un batter d'occhio.

Ora i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per tracciare lo spessore del bordo di una goccia mentre schizza da una varietà di superfici. Questa misurazione incredibilmente specifica, dicono, è la chiave per prevedere il numero, dimensione, e velocità delle gocce più piccole che possono essere espulse dal cerchio, Nell'aria.

Lydia Bourouiba, assistente professore di ingegneria civile e ambientale e direttore del Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory al MIT, afferma che i risultati del gruppo possono essere utilizzati per modellare la fisica degli spray, come pesticidi che sgorgano dalle foglie dei raccolti, o gocce di pioggia che possono raccogliere e diffondere malattie mentre rimbalzano su superfici contaminate.

"La nostra indagine fondamentale mira a comprendere la fisica dello spruzzo, e identificare gli ingredienti chiave che controllano gli spray, se si vogliono ridurre al minimo le goccioline secondarie indesiderabili, o migliorare gli spray per rivestire omogeneamente una superficie, " dice Bourouiba. "Per fare tutto questo, bisogna sapere come si scompone il fluido."

Bourouiba e i suoi studenti hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica . I suoi coautori sono studenti laureati Yongji Wang, Raj Dandekar, Nicole Bustos, e Stéphane Poulain.

Spingendo in avanti

Negli ultimi anni, Il gruppo di Bourouiba ha sviluppato algoritmi di analisi delle immagini per estrarre e misurare automaticamente determinate caratteristiche nei video ad alta velocità dei processi di rottura dei fluidi. Le fotocamere ad alta velocità all'avanguardia possono per la maggior parte catturare, al rallentatore, l'evoluzione di una goccia che schizza, un processo che richiede circa diversi millisecondi, durante il quale tempo, migliaia di goccioline più piccole possono essere espulse nell'aria.

Gli scienziati hanno utilizzato video ad alta velocità per misurare la dimensione delle goccioline espulse, lo spessore del bordo in espansione, e altre funzioni splash, in gran parte a mano.

"Poiché tutte queste caratteristiche cambiano costantemente in un breve periodo di tempo, estrazione ad alta precisione, misurazioni imparziali nei dati sono piuttosto complicate, " Dice Bourouiba. "Gli algoritmi classici non sono in grado di catturare tutti questi dettagli".

In contrasto, gli algoritmi del suo team possono distinguere automaticamente il bordo di una goccia che schizza e distinguerlo dalle goccioline più piccole che spruzzano fuori dal bordo, e i legamenti che si formano intorno al bordo. Una volta che gli algoritmi hanno elaborato i dati dell'immagine, i ricercatori possono separare chiaramente il bordo dal resto delle caratteristiche della gocciolina, ed estrarre la sua dimensione, in qualsiasi momento durante il processo di spruzzatura.

Il team ha organizzato più esperimenti per vedere se potevano rilevare una tendenza comune nel modo in cui il bordo di una goccia si evolve quando schizza su una superficie. I ricercatori hanno testato circa 15 liquidi di diversa viscosità e viscoelasticità, o rigidità. Hanno rilasciato singole gocce di ciascun liquido da una "torre a caduta" ad alta precisione, " un setup in grado di manipolare in modo molto preciso la dimensione della goccia rilasciata, l'orientamento della superficie sottostante, e le condizioni di illuminazione in cui registrare la goccia utilizzando telecamere ad alta velocità.

Il team ha rilasciato ogni goccia su superfici diverse, compresa una pozza d'acqua, il bordo di una superficie, superfici di diversa rugosità, superfici rivestite con un sottile film liquido, e piccole superfici di dimensione paragonabile a quella della goccia, vale a dire le canne.

Dopo aver messo a punto gli algoritmi per analizzare automaticamente ogni video di goccioline, hanno cominciato a notare uno schema nel modo in cui il bordo di una goccia si è evoluto nel tempo. Il cerchio in genere non è liscio, ma mostra increspature e rigonfiamenti. I ricercatori hanno dimostrato che la generazione istantanea di queste increspature lungo il cerchione è indipendente dall'accelerazione ed è invece determinata principalmente dalla geometria del cerchione. Però, lo spessore del cerchio è correlato all'accelerazione del cerchio mentre si espande nell'aria. Maggiore è l'accelerazione del cerchio, più sottile è il bordo, e le goccioline più veloci si staccano mentre si espande.

In altre parole, è l'accelerazione del cerchio che determina quanto fluido rimane nel cerchione e quanto fluido viene spinto fuori dal cerchio nell'aria, infine sotto forma di goccioline.

"È come quando si è in una macchina che decelera improvvisamente, " Dice Bourouiba. "La decelerazione del quadro di riferimento dell'auto introduce una forza fittizia che spinge in avanti. È lo stesso di quello che sente un volume fluido quando l'intero lenzuolo decelera."

Un'intuizione chiave dei ricercatori è che il cambiamento dell'accelerazione nel tempo è importante. Se un'increspatura cresce più delle sue vicine per diventare un rigonfiamento, la forza virtuale istantanea che sente data la decelerazione istantanea finisce per spingerlo in avanti più dei suoi vicini, con conseguente suo allungamento e distacco definitivo sotto forma di gocciolina.

Stabilire un legame

Dalle loro osservazioni sperimentali, il team ha ideato una semplice equazione per prevedere lo spessore del bordo di una goccia data la sua accelerazione, in qualsiasi punto lungo il bordo e in qualsiasi istante durante il processo di schizzi. L'equazione si basa sul cosiddetto numero di legame, un numero adimensionale che viene generalmente utilizzato per confrontare le forze gravitazionali con le forze inerziali.

"Se questo numero è molto grande, la gravità domina, come per una grande pozza d'acqua che si appiattisce perché la gravità la spinge verso il basso, " dice Bourouiba. "Per una piccola goccia, non è piatto, ma sferico, perché la tensione superficiale domina. Se il numero di Bond è uguale a 1, le due forze sono in equilibrio."

Con la loro nuova equazione, i ricercatori hanno sostituito la gravità con l'accelerazione istantanea del cerchione, e ha usato l'equazione per calcolare il numero di Bond, essenzialmente, il rapporto tra le forze indotte dall'accelerazione del cerchione e la tensione superficiale, in qualsiasi punto lungo il suo cerchio in ogni momento. Più alto è il numero di Bond, più l'accelerazione domina in un dato punto lungo il cerchio, e più è probabile che quella posizione si rompa e rilasci una gocciolina più piccola nell'aria. Più piccolo è il numero di Bond, la maggiore tensione superficiale domina e agisce per mantenere intatto il cerchio.

Il team ha scoperto che per i cerchi instabili, il numero Bond come lo hanno definito, rimane sempre uguale a uno, portando a un modello teorico molto semplificato dello spessore del cerchio, nonostante la complessità di questo processo che cambia continuamente nel tempo.

Il team ha scoperto che la teoria regge in una vasta gamma di viscosità, compresi liquidi sottili come l'acqua, e denso come plasma o latte. Può anche prevedere come si evolve il cerchio quando una goccia viene spruzzata su una varietà di superfici, con geometrie diverse.

"La teoria non è solo universale attraverso le configurazioni [di superficie], ma può continuare a tenere per una grande famiglia di fluidi industriali e biologici, Per esempio, "Dice Bourouiba.

In precedenza, gli scienziati erano stati solo in grado di escogitare una teoria per prevedere lo spessore di un cerchio in configurazioni "stabili", come un flusso continuo di acqua che scorre da un rubinetto a velocità costante. Tale situazione è considerata stabile, come produrrebbe uno specchio d'acqua che sgorga dalla superficie, con una dimensione del cerchio e altre proprietà che non cambierebbero nel tempo.

"Ma tutti gli impatti delle gocce, dalle gocce di pioggia, decontaminazione o irrorazione di pesticidi, o altri processi di frammentazione come starnuti, sono infatti instabili, un aspetto del problema che non è stato affrontato nel lavoro precedente, " Dice Bourouiba. "Abbiamo dimostrato che questa nuova teoria vale per un'ampia classe di problemi che sono instabili".

"Le minuscole goccioline emesse possono trasportare molto lontano dal luogo in cui avviene l'impatto, ad esempio, patogeni, o altri tipi di organismi o molecole, "dice José Manuel Gordillo, professore di meccanica dei fluidi presso l'Università di Siviglia in Spagna. "Credo che questi risultati non solo aiuteranno nella comprensione di base della frammentazione instabile dei cerchi nel processo naturale, ma anche in applicazioni relative, ad esempio, con la stampa."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.