Uno studio unico nel suo genere condotto dai ricercatori di Twin Cities dell'Università del Minnesota rivela perché le goccioline di liquido hanno la capacità di erodere le superfici dure. La scoperta potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare materiali migliori e più resistenti all'erosione.

Utilizzando una tecnica di nuova concezione, i ricercatori sono stati in grado di misurare quantità nascoste come lo stress di taglio e la pressione creati dall'impatto delle goccioline di liquido sulle superfici, un fenomeno che è stato studiato solo visivamente.

Il documento è pubblicato su Nature Communications .

I ricercatori hanno studiato l'impatto delle goccioline per anni, dal modo in cui le gocce di pioggia colpiscono il suolo alla trasmissione di agenti patogeni come il COVID-19 negli aerosol. È risaputo che le goccioline d'acqua a lento gocciolamento possono erodere le superfici nel tempo. Ma perché qualcosa di apparentemente morbido e fluido può avere un impatto così grande sulle superfici dure?

"Ci sono detti simili sia nella cultura orientale che in quella occidentale secondo cui 'L'acqua gocciolante scava fuori la pietra'", ha spiegato Xiang Cheng, autore senior del documento e professore associato presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota. "Tali detti intendono insegnare una lezione morale:'Sii persistente. Anche se sei debole, quando continui a fare qualcosa continuamente, avrai un impatto.' Ma quando hai qualcosa di così morbido come le goccioline che colpiscono qualcosa di così duro come le rocce, non puoi fare a meno di chiederti:"Perché l'impatto della goccia provoca danni?" Questa domanda è ciò che ha motivato la nostra ricerca."

In passato, l'impatto delle goccioline veniva analizzato solo visivamente utilizzando telecamere ad alta velocità. La nuova tecnica dei ricercatori dell'Università del Minnesota, chiamata microscopia da stress ad alta velocità, fornisce un modo più quantitativo per studiare questo fenomeno misurando direttamente la forza, lo stress e la pressione sotto le gocce di liquido quando colpiscono le superfici.

I ricercatori hanno scoperto che la forza esercitata da una goccia si diffonde effettivamente con la goccia che colpisce, invece di essere concentrata al centro della goccia, e la velocità con cui la goccia si diffonde supera la velocità del suono in brevi tempi, creando uno shock onda sulla superficie. Ogni goccia si comporta come una piccola bomba, rilasciando la sua energia d'impatto in modo esplosivo e conferendole la forza necessaria per erodere le superfici nel tempo.

Oltre a aprire un nuovo modo per studiare l'impatto delle goccioline, questa ricerca potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare superfici più resistenti all'erosione per applicazioni che devono resistere agli elementi esterni. Cheng e il suo laboratorio presso l'Università del Minnesota Twin Cities hanno già in programma di espandere questa ricerca per studiare come diverse trame e materiali cambiano la quantità di forza creata dalle goccioline di liquido.

"Ad esempio, dipingiamo la superficie di un edificio o rivestiamo le pale di una turbina eolica per proteggere le superfici", ha affermato Cheng. "Ma nel tempo, le goccioline di pioggia potrebbero ancora causare danni a causa dell'impatto. Quindi, la nostra ricerca dopo questo documento è di vedere se siamo in grado di ridurre la quantità di stress da taglio delle goccioline, il che ci consentirebbe di progettare superfici speciali in grado di mitigare lo stress. "

Oltre a Cheng, il team di ricerca includeva il dottorato di ricerca in ingegneria chimica dell'Università del Minnesota. studente Ting-Pi Sun, Università di Santiago, Cile Assistente Professore Leonardo Gordillo e studenti universitari Franco Álvarez-Novoa e Klebbert Andrade, e Università O'Higgins, Cile Assistente Professore Pablo Gutiérrez. + Esplora ulteriormente

La conduzione del calore è importante per la dinamica delle goccioline