Puede ayudar a predecir cómo las gotitas lanzan y esparcen sustancias químicas, partículas y microbios en el aire
La lluvia puede caer en caída libre a velocidades de hasta 40 kilómetros por hora. Si las gotas caen en una charca o estanque, pueden formar una salpicadura con forma de corona que, con suficiente fuerza, puede desprender las partículas de la superficie y lanzarlas al aire.
Ahora, los científicos del MIT han tomado vídeos de alta velocidad de gotas que salpican en una charca profunda, para rastrear cómo evoluciona el fluido, por encima y por debajo de la línea de agua, cuadro por milisegundo.
Su trabajo podría ayudar a predecir cómo las gotas que salpican, como las de las tormentas y los sistemas de irrigación, pueden impactar las superficies acuosas y aerosolizar partículas superficiales, como el polen en los charcos o los pesticidas en la escorrentía agrícola.
El equipo llevó a cabo experimentos en los que arrojaron gotas de agua de distintos tamaños y desde distintas alturas a una charca de agua. Mediante imágenes de alta velocidad, midieron cómo se deformaba la charca de líquido cuando la gota impactaba contra la superficie de la charca.
En todos sus experimentos, observaron una evolución común de las salpicaduras: cuando una gota caía en la charcaa, se deslizaba hacia abajo y formaba un "cráter" o cavidad. Casi al mismo tiempo, una pared de líquido se elevaba por encima de la superficie y formaba una corona.
Curiosamente, el equipo observó que pequeñas gotas secundarias se expulsaban de la corona antes de que esta alcanzara su altura máxima. Toda esta evolución ocurre en una fracción de segundo.
Los científicos han tomado instantáneas de salpicaduras de gotas en el pasado, como la famosa "Corona de gota de leche": una foto de una gota de leche en medio de una salpicadura, tomada por el difunto profesor del MIT Harold "Doc" Edgerton, quien inventó una técnica fotográfica para capturar objetos en rápido movimiento.
El nuevo trabajo representa la primera vez que los científicos han utilizado imágenes de tan alta velocidad para modelar toda la dinámica de salpicadura de una gota en una charca profunda, combinando lo que sucede tanto por encima como por debajo de la superficie.
El equipo ha utilizado las imágenes para recopilar nuevos datos fundamentales para construir un modelo matemático que predice cómo se transformará y fusionará la forma de una gota al impactar la superficie de una charca. Planean utilizar el modelo como base para explorar hasta qué punto una gota que salpica podría arrastrar y lanzar partículas desde el estanque de agua.
"Los impactos de las gotas sobre las capas de líquido son omnipresentes", dice la autora del estudio Lydia Bourouiba, profesora de los departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Mecánica del MIT, y miembro principal del Instituto de Ingeniería y Ciencia Médica (IMES).
"Estos impactos pueden producir miríadas de gotitas secundarias que podrían actuar como portadoras de patógenos, partículas o microbios que se encuentran en la superficie de las charcas impactadas o de los cuerpos de agua contaminados. Este trabajo es clave para permitir la predicción de las distribuciones del tamaño de las gotitas y, potencialmente, también de lo que dichas gotas pueden transportar consigo".
Arriba y abajo
En el MIT, Bourouiba dirige el Laboratorio de Dinámica de Fluidos de Transmisión de Enfermedades, parte de la Red de Fluidos y Salud, donde ella y su equipo exploran la física fundamental de los fluidos y las gotitas en una variedad de contextos ambientales, energéticos y de salud, incluida la transmisión de enfermedades.
Para su nuevo estudio, el equipo buscó comprender mejor cómo las gotas impactan en una charca profunda, un fenómeno aparentemente simple que, sin embargo, ha sido difícil de recoger y caracterizar con precisión.
Bourouiba señala que recientemente se han producido avances en la modelización de la evolución de una gota que salpica bajo la superficie de una charca. Cuando una gota cae sobre una charca de agua, atraviesa la superficie y arrastra aire hacia abajo para crear un cráter de corta duración.
Hasta ahora, los científicos se han centrado en la evolución de esta cavidad submarina, principalmente para aplicaciones en la recolección de energía. Lo que sucede sobre el agua y cómo evoluciona la forma de corona de una gota con la cavidad que se encuentra debajo, seguía siendo menos comprendido.
"Las descripciones y la comprensión de lo que sucede debajo y por encima de la superficie han permanecido muy divorciadas", dice Bourouiba, quien cree que tal comprensión puede ayudar a predecir cómo las gotitas lanzan y esparcen sustancias químicas, partículas y microbios en el aire.
Imagen: (a) Salpicadura en una charca profunda formando una cavidad, oleaje, corona y gotitas secundarias. La corona está limitada hacia arriba por un borde, un abultamiento, típico de las láminas libres extendidas en el aire. El borde se desestabiliza para formar los ligamentos y las gotitas se ven expulsadas hacia arriba. Barra de escala: 2 mm. (b) Salpicaduras sobre una película delgada (Bourouiba). Crédito: Journal of Fluid Mechanics (2024). DOI: 10.1017/jfm.2024.1105
Salpicadura en 3D
Para estudiar la dinámica acoplada entre la cavidad y la corona de una gota, el equipo montó un experimento para dispensar gotas de agua en una charca profunda. Para los fines de su estudio, los investigadores consideraron que una charca profunda es un cuerpo de agua lo suficientemente profundo como para que una gota que salpica permanezca lejos del fondo de la charca.
En estos términos, encontraron que una charca con una profundidad de al menos 20 centímetros era suficiente para sus experimentos.
Variaron el tamaño de cada gota, con un diámetro medio de unos 5 milímetros. También arrojaron gotas desde distintas alturas, lo que hizo que impactaran la superficie de la charca a distintas velocidades, que en promedio fueron de unos 5 metros por segundo. La dinámica general, dice Bourouiba, debería ser similar a lo que ocurre en la superficie de un charco o estanque durante una tormenta promedio.
"Esto capta la velocidad a la que caen las gotas de lluvia", explica. "No serían gotas muy pequeñas y borrosas, sino gotas de lluvia para las que se necesita un paraguas".
Utilizando técnicas de imágenes de alta velocidad inspiradas en la fotografía pionera de Edgerton, el equipo filmó videos de gotas salpicando charcas, a velocidades de hasta 12.500 cuadros por segundo.
Luego aplicaron métodos internos de procesamiento de imágenes para extraer mediciones clave de las secuencias de imágenes, como el ancho y la profundidad cambiantes de la cavidad submarina y el diámetro y la altura evolutivos de la corona ascendente.
Los investigadores también recogieron mediciones especialmente difíciles del perfil del espesor de la pared de la corona y del flujo interno (el cilindro que se eleva desde la charca justo antes de formar un borde y puntos característicos de una corona).
"Esta pared cilíndrica de líquido ascendente y su evolución en el tiempo y el espacio son la base de todo", afirma Bourouiba. "Es lo que conecta el fluido de la charca con lo que irá al borde y luego será expulsado al aire a través de gotitas secundarias más pequeñas".
Los investigadores trabajaron los datos de la imagen en un conjunto de "ecuaciones de evolución", o un modelo matemático que relaciona las diversas propiedades de una gota que impacta, como el ancho de su cavidad y los perfiles de espesor y velocidad de su pared de corona, y cómo estas propiedades cambian con el tiempo, dado el tamaño inicial de la gota y la velocidad de impacto.
"Ahora tenemos una expresión matemática de forma cerrada que la gente puede usar para ver cómo todas estas cantidades de una gota que salpica cambian en el espacio y el tiempo", dice el coautor Shen, quien planea, con Bourouiba, aplicar el nuevo modelo al comportamiento de las gotas secundarias y entender cómo una salpicadura termina dispersando partículas como patógenos y pesticidas.
"Esto abre la posibilidad de estudiar todos estos problemas de salpicaduras en 3D, con ecuaciones cerradas y autónomas, algo que antes no era posible".
Bourouiba y sus alumnos han publicado sus resultados en el Journal of Fluid Mechanics: Splash on a liquid pool: coupled cavity–sheet unsteady dynamics
