Pesquisadores do laboratório Fluides, automatique et systèmes thermiques e da UNICAMP (Brasil) forneceram a primeira demonstração de que a rotação do projétil sobre si mesmo favorece sua penetração no solo. Publicados na revista
Physical Review, estes trabalhos apresentam um modelo que prevê a profundidade de enterramento em função da velocidade de queda e rotação.
Sequência do impacto do projétil no meio granular composto por microesferas.
© Y. Bertho
Ao contrário dos fluidos e sólidos, o comportamento mecânico dos meios granulares não é guiado por grandes leis físicas já bem estabelecidas. Diversas disciplinas necessitam prever como um projétil vai se afundar em solos e materiais compostos por grãos, como a areia, o cascalho, pós ou cereais em silos. As aplicações vão desde a missão espacial InSight, que estuda a temperatura do solo marciano até cinco metros de profundidade, até os esforços de reflorestamento lançando sementes por avião ou helicóptero.
Dois casos podem ocorrer, dependendo se o projétil gira ou não sobre si mesmo durante o movimento. Pesquisadores do laboratório Fluides, automatique et systèmes thermiques (
FAST, CNRS/Université Paris-Saclay) e da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP, Brasil) demonstraram que, em velocidades de queda iguais, quanto mais rápida é a rotação do projétil, mais profundamente ele se afunda em um meio granular.
Eles quantificaram a eficácia da manobra através de uma razão entre a velocidade de rotação e a velocidade de impacto. Nas faixas de velocidade estudadas, os projéteis mergulham até 15% mais fundo em caso de rotação. Esta é a primeira demonstração concreta de que a rotação favorece a penetração no solo.
Os cientistas realizaram um dispositivo experimental permitindo que um projétil esférico impactasse a uma velocidade controlada, variando sua altura de queda, em esferas de vidro milimétricas. Estas são contidas em um recipiente em rotação, pois é muito mais fácil controlar a rotação do meio granular do que a do projétil, que poderia não seguir uma trajetória reta.
Os pesquisadores mantiveram-se dentro de faixas de velocidade suficientemente limitadas para manter as esferas no lugar, o que significa que não há diferenças em termos de forças mecânicas entre quem gira, o meio granular ou o projétil. Descobriram que, durante o enterramento, a rotação favorece a fluidização do meio granular ao redor do projétil. Isso diminui a pressão sob o projétil, permitindo que ele se afunde mais facilmente.
Os pesquisadores desenvolveram um modelo físico capaz de prever a profundidade de enterramento do projétil em função de sua velocidade de queda e da rotação do meio granular. Atualmente, eles tentam modelar a morfologia das crateras produzidas por tais impactos e a trajetória de ejeção dos grãos.
Referências:
Penetration of a spinning sphere impacting a granular medium.
D. D. Carvalho, Y. Bertho, E. M. Franklin, and A. Seguin.
Phys. Rev. E 109, 054902 (2024).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.054902.
Artigo disponível no repositório de arquivos abertos
Arxiv.
Fonte: CNRS INSIS