Uma torrente de areia se comporta como água






[ Traduzido daqui: Stream of Sand Behaves Like Water ]

Pesquisas abrem um novo território para experimentos

High-speed photograph of fluidized dry granular particles.

Baixos níveis de tensão superficial causam a formação de gotículas semelhantes às de água em fluxos de materiais granulares secos.
Crédito e imagem ampliada

24 de junho de 2009

Assista a um video em alta velocidade de um fluxo de material granular em que­da livre.

Pesquisadores da Universidade de Chicago demonstraram recentemente que materiais secos granulares, tais como areias, sementes e grãos, têm proprie­dades similares às dos líquidos, formando gotículas semelhantes às da água quando derramados de algum recipiente. A descoberta pode ser importante para uma vasta gama de indústrias que usam partículas secas “fluidizadas” para o refino de petróleo, manufatura de plásticos e produção farmacêutica.

Os pesquisadores até então pensavam que partículas secas não tinham tensão su­perficial suficiente para formar gotas como os líquidos. Porém, em uma rea­lização inédita, físicos do Centro de Pesquisas e Engenharia de Materiais da Universidade de Chicago, chefiados pelo Professor Heinrich M. Jaeger, usaram fo­to­grafia de alta velocidade para medir os diminutos níveis de tensão super­ficial e detectar a formação de gotas em fluxos de materiais secos granulares.

A revista de ciências Nature
relata a descoberta na edição de 25 de junho. O centro de pesquisas de materiais da Universidade de Chicago é apoiado pela Fundação Nacional de Ciências (NSF).

Até recentemente, os estudos das assim chamadas “torrentes granulares em que­da livre” rastreava as mudanças de forma em fluxos de materiais secos, mas não eram capazes de observar a formação de gotas ou os mecanismos de aglo­meração envolvidos.

“Os estudos anteriores das torrentes granulares conseguiram detectar a aglome­ração com a realização de experiências no vácuo e foram capazes de esta­belecer que a aglomeração não era causada pelo atrito com o ar ambiente”, ex­plica Jaeger. “No entanto, a causa da aglomeração permanecia um mistério”.

Porém, nessa nova experiência, os pesquisadores mediram as forças em nano­escala que causam a formação de gotas, usando um dispositivo especial co­móvel projetado para uma câmera de alta velocidade, de US 80,000, que captura imagens de uma forma bem parecida ao jeito com que um paraquedista faz para fotografar um colega em queda livre.

Eles observaram micro-esferad de vidro com 100 micrômetros de diâmetro em queda livre, ou areia em fluxo, e descobriram que forças até 100.000 vezes me­nores do que aquelas que produzem a tensão superficial em líquidos comuns pode causar a formação de gotas em torrentes granulares e fazem com que es­sas torrentes secas se comportem como um líquido de tensão superficial ultra-baixa.

John Royer, o estudante de pós-graduação em física da Universidade de Chi­cago que desenvolveu o dispositivo, e seus colegas também mediram direta­mente as interações grão a grão com um microscópio de força atômica.

“A princípio nós pensávamos que interações entre grãos seriam fracas demais para influenciar o fluxo da torrente granular”, diz Royer. “A microscopia de força atômica nos surpreendem, demonstrano que pequenas mudanças nessas interações poderiam levar a um grande impacto no fracionamento da torrente, mostrando de maneira conclusiva que essas interações controlavam a formação de gotas”.

Os pesquisadores dizem que a compreensão sobre como os materiais secos coalescem pode levar a uma maior eficiência em seu transporte e manipulação. A produção farmacêutica de pílulas, por exemplo, pode se beneficiar com o der­ramamento de quantidades iguais de remédios em uma cápsula sempre, o que re­duziria grandemente as perdas.

“Estimativas mostram que perdemos 60% da capacidade de produção de muitas instalações industriais devido a problemas relacionados com o transporte desses materiais”, diz said Jaeger. “Assim, mesmo uma pequena melhoria em nossa com­preensão sobre como meios granulares se comportam, deve ter um profundo impacto para a indústria”.

Os pesquisadores dizem em seu relatório que esses “resultados experimentais abrem um novo território para o qual ainda não há arcabouço teórico”.

“Nossas experiências fazem duas perguntas para as quais ainda não há uma res­posta aceita”, diz Jaeger. “Ambas dizem respeito a como um líquido se separa. Como se dá a separação no limite de tensão superficial ultra-baixa e o que acontece no limite de temperaturas ultra-baixas quando as partículas deixam de se mover com relação às outras?”

“É particularmente notável que uma torrente granular composta de partículas macroscópicas forneça um modelo para explorar o assunto”.

-NSF-


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