Thamires LimaUm professor pesquisador de engenharia química na Universidade Drexel estuda as propriedades de líquidos espessos e viscosos – pense em mel ou melaço, embora no laboratório seja mais provável encontrar polipropileno ou petróleo bruto. Usando um método chamado reologia extensional, Lima esticou o fluido entre placas de metal para encontrar as forças que os faziam fluir.
Há alguns anos, ele estava conduzindo um experimento como parte de um projeto em colaboração com a empresa de petróleo e gás Exxon Mobil quando ouviu um estalo pequeno e agudo. “Achei que fosse a máquina”, disse Lima. Mas a rachadura veio do líquido que a máquina puxava: uma mistura negra de hidrogênio e carbono. Em vez de se expandir, o fluido fraturou.
Sabe-se que as fraturas ocorrem em certos fluidos complexos elásticos, que podem se comportar como sólidos sob certas condições. Mas Lima estava trabalhando com um fluido simples e não elástico. Mesmo quase sem elasticidade, ele se desintegra sob estresse.
“Ninguém esperava que isto fosse possível num líquido tão simples porque a viscosidade normalmente apenas reorganiza as moléculas”, disse Arnold Mathiesené físico de fluidos na Universidade da Pensilvânia. “Você não espera que ele quebre. Mas acontece, então acho que é realmente incrível.”
Uma ruptura frágil
O fluido de Lima se expande repetidamente para provar que a ruptura inesperada não é isolada. “Cada vez que ele media, o material quebrava”, diz Nicolau J. AlvarezProfessor de engenharia química da Universidade Drexel, cujo laboratório liderou a pesquisa. “Ele fez um barulho alto. Quer dizer, como se você pegasse um elástico, puxasse, esticasse e ele quebrasse.”
Convencidos de que a foto não foi um acaso, Lima e Alvarez usaram câmeras de alta velocidade para ver o fenômeno mais de perto. Eles entendem isso A ruptura foi essencialmente uma “fratura por fragilidade”. Você verá quando deixar cair um prato de vidro ou porcelana.
A fratura frágil ocorre em sólidos frágeis, que possuem propriedades elásticas. Aplique um pouco de tensão ao vidro ou porcelana e ele se deformará um pouquinho, e então – se você não empurrar além do ponto de ruptura – ele retornará ao normal quando a tensão for removida. No entanto, os sólidos nunca são perfeitos. Na maioria dos casos, um sólido frágil terá uma pequena falha – uma rachadura na escala de dezenas de nanômetros. Depois que o sólido passa por um ponto crítico, torna-se energeticamente mais favorável para o crescimento de trincas do que para o sólido armazenar tensão elasticamente. Nesse ponto, a fissura cresce catastroficamente, rompendo rapidamente o sólido.
Alguns fluidos complexos, chamados fluidos viscoelásticos, também possuem elasticidade. Por exemplo, os polímeros fundidos – versões fundidas de polímeros plásticos – são constituídos por longas cadeias de moléculas, que se unem e aumentam as propriedades elásticas do material.
Em Um 2016 Carta de revisão física papelAlvarez e colegas mostraram que líquidos complexos como o poliestireno fundido podem fraturar da mesma forma que os sólidos às vezes o fazem. “Nós apenas pensamos que resiliência era algo que era um pré-requisito para um tipo de ruptura tão difícil, certo?” Alvarez disse. Consequentemente, teorizaram que a elasticidade também está relacionada com a ruptura de fluidos.
Mas a mistura de hidrocarbonetos com a qual Lima estava trabalhando era um líquido simples. Líquidos simples não armazenam muita energia elástica. E quando são empurrados ou puxados além dos seus limites, geralmente não dobram nem quebram – eles fluem.
Portanto, talvez a velha teoria sobre o que constitui uma fratura fluida esteja errada. “Se um problema não tem resiliência, como você pensa sobre o início ou crescimento de fissuras?” disse Brato Chakrabartié um físico que trabalha com mecânica dos fluidos no Centro Internacional de Ciências Teóricas em Bangalore, Índia.
Pesquisadores de craqueamento de misturas de hidrocarbonetos Daniel D., engenheiro mecânico da Universidade de Minnesota. Olhe novamente para os papéis de Joseph. Em 1995 e 1998, Joseph sugeriu que qualquer fluido, por mais elástico que fosse, A fratura pode ocorrer sob tensão de ruptura suficiente.
Alvarez se pergunta se o ponto de ruptura de um líquido não está relacionado a propriedades como elasticidade, mas a algo mais fundamental para a composição do líquido. “Talvez, apenas talvez, o que causa a decomposição de (alguns) líquidos… (está) de alguma forma relacionado a essas forças coesivas que mantêm as moléculas unidas”, disse ele.
Uma bolha estourada
Os líquidos simples têm uma forma de aliviar o estresse, sem necessidade de quebra: eles formam vazios intermoleculares (bolhas) em um processo chamado cavitação.
Se as pás de uma hélice giram rapidamente em um fluido normal, por exemplo, o fluido de um lado da pá pode espirrar muito mais rápido do que o fluido do outro lado, causando uma queda de pressão naquele lado. Essa queda pode causar cavitação do líquido. Os engenheiros trabalham para evitar isso, porque, uma vez rompidas, essas bolhas criam ondas de choque que podem danificar hélices e bombas.
Em seus artigos da década de 90, Joseph previu que a cavitação permitiria a fratura de fluidos normais.
“Se você pensar sobre o que mantém um líquido unido, é a coesão, ou interações intermoleculares entre moléculas”, disse Alvarez. Se você separar essas moléculas, poderá criar uma bolha. Normalmente, os líquidos viscosos mantêm-se unidos mudando a forma em torno das bolhas quando estas se formam. Mas se bolhas suficientes se formarem em rápida sucessão, elas podem, teoricamente, quebrar um líquido como uma vidraça.
Na Drexel, os pesquisadores descobriram que, uma vez que uma rachadura se forma dentro de um líquido normal, ela se propaga com extrema rapidez, precisamente porque o líquido é inelástico. “Se você puder iniciar um evento de nucleação de fissura, porque o material não tem elasticidade, essa fissura pode se propagar tão rápido quanto a física permitir”, disse Alvarez.
Em trabalhos anteriores sobre fluidos complexos, os pesquisadores da Drexel descobriram que rachaduras no poliestireno fundido se propagam a cerca de 0,07 metros por segundo. No seu novo estudo, Lima e colegas mostram que as fissuras se propagam ainda mais rapidamente nos fluidos mais simples que estudaram, atingindo velocidades de cerca de 500 a 1.500 metros por segundo.
“Tem algo a ver com a forma como o objeto é capaz de dissipar energia”, disse Alvarez. De acordo com uma hipótese, num fluido complexo, a energia é absorvida à medida que longas cadeias de moléculas se quebram. Mas com um líquido simples, “não há realmente nada que possa retardá-lo”, disse ele.
Isso parece afetar o formato da rachadura, que se parece com uma trombeta em líquidos complexos e como uma rachadura atravessando o vidro em líquidos simples, descobriram os pesquisadores.
Como quebrar um líquido
Surpreendentemente, apesar das diferentes formas de fissuração, tanto o fluido complexo como o fluido simples que os investigadores testaram tenderam a fraturar na mesma medida crítica de pressão: 2 megapascais. Os pesquisadores alteraram a temperatura da mistura de hidrocarbonetos – um líquido comum – para alterar sua viscosidade e descobriram que o líquido menos viscoso testado não quebrou. A equipe observou que o nível crítico de tensão das fraturas fluidas é proporcional à taxa de deformação vezes sua viscosidade (a rapidez com que são esticadas ou esticadas e como o diâmetro do fluido está mudando).
A máquina tinha um limite – embora alto – de velocidade com que poderia se mover: 500 milímetros por segundo. “Temos muito poucos instrumentos”, disse Lima. Lima pensa que, potencialmente, se tivessem uma máquina que pudesse extrair líquidos mais rapidamente, poderiam decompor líquidos menos viscosos como o mel ou mesmo a água.
No futuro, Lima quer usar um líquido mais transparente para capturar as rachaduras à medida que elas se formam. Ele quer tentar congelar a superfície do líquido à medida que ele se rompe e examiná-lo usando um microscópio de alta resolução que varre superfícies em escala nanométrica.
Alvarez está interessado em explorar fluidos simples no contexto da fiação de materiais em fibras – o que poderia ter aplicações em engenharia e medicina. Fraturas de fluidos também podem ter implicações na impressão a jato de tinta, na proteção contra lesões cerebrais e na robótica leve.
Mas Alvarez está mais entusiasmado em saber o que significa uma simples fratura por fluido. “(É) diferente do que pensamos na literatura há muito tempo”, disse ele.
