Novo modelo pode finalmente prever como o sangue e outros fluidos estranhos fluem: WebCuriosos

Os físicos estão um passo mais perto de desenvolver uma teoria matemática completa para prever como o sangue e outros fluidos peculiares fluem. Esses comportamentos bizarros intrigam os pesquisadores há décadas.

Não que tenhamos tentado, mas na verdade o sangue deforma-se ligeiramente quando é empurrado e, estranhamente, torna-se mais espesso quando uma força forte e repentina é aplicada – passando de uma substância fina e aquosa para uma substância mais viscosa, quase sólida.

Outro exemplo (mais higiênico) disso é o truque clássico que você deve lembrar das demonstrações científicas nas escolas: amido de milho misturado com água. Se você mexer lentamente, nada parecerá desagradável, mas esprema um punhado da mistura e ela solidificará em uma bola de borracha. Abra sua mão e ela escorrerá como líquido novamente.

O que realmente está acontecendo é um exemplo de fluido não newtonianoum tipo de fluido que desobedece à lei da viscosidade de Newton e, em vez disso, é caracterizado por sua estranha relação entre a tensão, as forças aplicadas ao líquido, e a deformação, como ele se deforma em resposta.

Mas essa não é a única coisa estranha sobre os fluidos não newtonianos. Eles também exibem um movimento de fluido particularmente caótico chamado turbulência elástica, que existe apenas nesses fluidos, e não nos fluidos newtonianos obedientes.

Turbulênciade qualquer tipo, transforma-se em algo ordenado fluxo laminar em uma bagunça caótica e agitada que, em ambientes industriais, dificulta a mistura ou o bombeamento de fluidos – ou um passeio de barco em um rio agitado e de fluxo rápido.

Geralmente acontece em altas velocidades de fluxo e, embora possa ser um fenômeno familiar, descrever a turbulência em suas diversas formas “continua sendo um dos últimos problemas não resolvidos da física clássica”. proclamar os pesquisadores por trás deste novo estudo de turbulência elástica.

Pesquisadores perceberam na década de 1990 que em soluções aquosas contendo polímeros – que são cadeias longas e repetidas de moléculas – a elasticidade do estiramento e contração dos polímeros fez com que os fluxos laminares se tornassem instáveis.

No início do século XXI, eles descobriu turbulência elásticao que é ainda mais dramático, emergindo em fluxos laminares lentos que geralmente são suaves.

Acredita-se que a turbulência elástica surja em fluidos não newtonianos, que consistem em partículas ultrafinas, polímeros ou células microscópicas suspensas em líquidos aquosos, pela forma como essas partículas interagem e se movem. Sem partículas na solução, o fenômeno desaparece.

Os cientistas pensavam que a turbulência elástica era totalmente diferente da turbulência clássica dos fluidos newtonianos, que se comportavam de uma forma muito mais previsível. Mas os dois fenómenos podem ter mais em comum do que se pensava anteriormente, de acordo com a nova modelação da equipa.

Liderada por Marco Rosti, engenheiro aeronáutico que estuda dinâmica de fluidos no Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão, a equipe mediu a velocidade de fluxos de fluidos não newtonianos e calculou a diferença em três pontos, não os dois habituais usados ​​para medir e estudar. turbulência clássica.

Eles descobriram que os fluidos não newtonianos com turbulência elástica apresentam flutuações intermitentes na velocidade em velocidades de fluxo lentas, como os fluidos newtonianos fazem em fluxos elevados – uma descoberta que os ajudou a fazer previsões estatísticas sobre como o fluido não newtoniano se comportava.

“Nossos resultados mostram que a turbulência elástica tem um decaimento de energia universal e um comportamento intermitente até agora desconhecido,” explica Rosti. “Essas descobertas nos permitem olhar para o problema da turbulência elástica de um novo ângulo.”

O estudo se soma a outros esforços de pesquisa onde os físicos têm trabalhado fazendo progressos na descrição de fluidos não newtonianos, que intrigam os pesquisadores com suas propriedades estranhas desde a década de 1930 – quando eles não tinham instrumentos ou computadores para medir e simular fluxos de fluidos como temos hoje.

Em 2019, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um modelo 3D que poderia descrever como suspensões de partículas ultrafinas, como uma mistura de amido de milho, passar de um líquido para um sólido e vice-versa, sob várias condições.

O aplicações industriais de tal modelo são bastante úteis, permitindo aos pesquisadores prever e otimizar o comportamento das lamas à medida que fluem entre cubas em plantas industriais, por exemplo.

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O novo modelo desenvolvido pela equipe de Rosti poderia ter usos práticos semelhantes.

“Com uma teoria perfeita” – se tal coisa existir – “poderíamos fazer previsões sobre o fluxo e projetar dispositivos que podem alterar a mistura de líquidos”, diz Rosti. “Isso pode ser útil ao trabalhar com soluções biológicas”, como sangue doado e fluido linfático.

Ou, quando o resto de nós está brincando com ketchup, creme e pasta de dente – três outros exemplos divertidos de fluidos não newtonianos.

O estudo foi publicado em Comunicações da Natureza.