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Dec 05, 2023

Para descobrir novas leis de fluxo de fluidos, os pesquisadores recorrem a canudos

23 de março de 2023 Este artigo foi revisado de acordo com o processo editorial e as políticas da Science X. Os editores destacaram os seguintes atributos, garantindo a credibilidade do conteúdo:

23 de março de 2023

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pela Universidade de Nova York

Uma equipe de pesquisadores descobriu novas leis que regem o fluxo de fluidos por meio de experimentos em uma tecnologia com milhares de anos: um canudo. Este conhecimento pode ser útil para melhorar o manuseio de fluidos em aplicações médicas e de engenharia.

“Descobrimos que beber um canudo desafia todas as leis anteriormente conhecidas para a resistência ou fricção do fluxo através de um cano ou tubo”, explica Leif Ristroph, professor associado do Instituto Courant de Ciências Matemáticas da Universidade de Nova York e autor do estudo. , que aparece no Journal of Fluid Mechanics. “Isso nos motivou a buscar uma nova lei que pudesse funcionar para qualquer tipo de fluido movendo-se a qualquer taxa através de um tubo de qualquer tamanho”.

Os fluxos de líquidos e gases através de canos, tubos e dutos ocorrem em muitas situações na natureza e na indústria – como no fluxo sanguíneo e em oleodutos.

"O problema do escoamento em tubos sempre foi um dos mais básicos e importantes no estudo da mecânica dos fluidos e, de muitas maneiras, o campo foi desenvolvido para resolver esse problema", explica Ristroph, diretor do Laboratório de Matemática Aplicada da NYU, onde a pesquisa foi conduzido.

No entanto, no seu trabalho, Ristroph e os seus colegas descobriram que todas as leis conhecidas relativas à pressão e ao caudal eram precisas apenas sob certas condições.

Para chegar a essa conclusão, eles realizaram uma série de experimentos – medições de vazão e pressão para tubos metálicos de diferentes comprimentos e diâmetros, utilizando diversos tipos de líquidos. O objetivo era determinar como esses fatores se relacionam com a resistência ao atrito do fluxo que atravessa o tubo.

“Nossos dados mostraram que as famosas e clássicas leis de atrito de fluxo são precisas apenas para algumas combinações de velocidades de fluxo e tamanhos de tubos”, explica Ristroph. “Mapeamos as condições em que as leis existentes não funcionam bem e encontramos um bom exemplo bem debaixo do nosso nariz: beber com canudo”.

Acredita-se que os canudinhos tenham sido usados ​​já há 5.500 anos, na antiga civilização mesopotâmica da Suméria. Mas a hidrodinâmica de seu funcionamento não foi previamente estudada.

Os pesquisadores expandiram seu estudo para incluir vários tipos de canudos – um tipo de agitador de café fino, um tipo de refrigerante normal e um tipo de chá com bolhas largas – e realizaram experimentos para determinar o atrito para taxas de fluxo típicas durante a bebida.

Os dados sobre canudos e cachimbos de tamanhos semelhantes não correspondiam a nenhuma das leis conhecidas, que levam os nomes de seus descobridores, os cientistas Evangelista Torricelli e Jean Léonard Marie Poiseuille, entre outros.

Os pesquisadores descobriram que cada lei clássica falhou porque pressupõe que o tubo é muito curto ou muito longo e que o fluxo é muito lento ou muito rápido. Os casos intermediários, incluindo canudos, envolvem fatores complicados, como a forma como o fluxo muda ao longo do comprimento do tubo e se ele se torna suave e laminar ou áspero e turbulento.

A modelagem de tais efeitos permitiu à equipe derivar uma única fórmula matemática, e suas previsões corresponderam às medições experimentais para todos os tubos e canudos e para todos os fluidos e velocidades de fluxo que foram testados.

“Uma fórmula universal poderia ser muito útil, por exemplo, na compreensão e modelagem do fluxo sanguíneo no sistema circulatório”, observa Ristroph. "Nossas veias, artérias e capilares são basicamente tubos com muitos diâmetros, comprimentos e taxas de fluxo diferentes."