O ressalto hidráulico circular é um muro líquido que se forma ao redor de um jato de água que atinge o fundo de uma pia. Este fenômeno é conhecido há tempos, mas pela primeira vez pesquisadores do Instituto de Eletrônica, Microeletrônica e Nanotecnologia estudaram como o ressalto pode aparecer e desaparecer várias vezes por segundo, e identificaram as condições nas quais essa oscilação permanece estável. Seus resultados são publicados na revista
Physical Review Letters.
Fotografia de um ressalto hidráulico circular. O diâmetro do jato é de 0,9 mm.
© Goerlinger and al.
Quando um jato de água vertical atinge uma superfície plana -por exemplo, o fundo de uma pia- forma-se ao seu redor uma parede líquida circular. Este fenômeno de ''ressalto hidráulico'', observado há muito tempo, pode tornar-se oscilante: a parede líquida abre e fecha várias vezes por segundo, e sob certas condições essas oscilações continuam enquanto o sistema não é perturbado. Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Eletrônica, Microeletrônica e Nanotecnologia (
IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France) reportou esse fenômeno pela primeira vez, identificou os parâmetros que governam sua aparição espontânea, e propôs uma explicação para seu mecanismo.
Para investigar experimentalmente o ressalto hidráulico, os pesquisadores utilizaram um jato de água de menos de 1 mm de diâmetro, projetado através de uma agulha sobre um disco de plexiglass. A formação e a evolução do ressalto hidráulico ao redor do jato são observadas com o auxílio de uma câmera posicionada abaixo do disco. Variando os parâmetros do experimento, a equipe mostrou que uma oscilação estável só se forma em uma faixa de vazão (entre 1,8 ml/s e 2,2 ml/s), mas que, uma vez estabelecida, seu período é independente da vazão. Por outro lado, o período de oscilação aumenta com o tamanho dos discos utilizados, cujos raios variaram de 1 a 6 cm.
Para explicar estas observações, foi desenvolvido um modelo teórico da camada de água sobre o disco, no qual o ressalto gera ondulações (ondas de gravidade). Isso demonstrou que o disco atua como uma cavidade para essas ondas e constatou-se que a frequência de oscilação do ressalto medida experimentalmente sempre corresponde a uma frequência natural da cavidade prevista pelo modelo.
Assim, a camada de líquido sobre o disco funciona como uma caixa de ressonância das ondulações, e são as variações periódicas da altura da camada de água que causam as oscilações do ressalto hidráulico. O modelo também prevê a correlação entre o período de oscilação e o raio do disco, conforme observado experimentalmente.
Além disso, o estudo mostrou que, ao deslocar o impacto do jato sobre o disco, outras frequências de oscilação podem ser obtidas. Por fim, ao utilizar dois jatos simultaneamente, é possível obter dois ressaltos sincronizados que oscilam em oposição de fase.
Esses resultados poderiam ajudar a melhorar a eficiência dos jatos de água usados para limpeza ou resfriamento em processos industriais, evitando a formação do ressalto hidráulico. De um ponto de vista mais fundamental, a equipe planeja explorar a influência de outros parâmetros como a viscosidade do fluido e a rugosidade da superfície do disco, ou ainda aumentar o número de jatos.
Referências:
Oscilações e Modos de Cavidade no Ressalto Hidráulico Circular.
Aurélien Goerlinger, Michael Baudoin, Farzam Zoueshtiagh e Alexis Duchesne.
Physical Review Letters, 8 de Novembro de 2023.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.194001
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Fonte: CNRS INSIS