La física de cómo gotas de agua erosionan la piedra

Un estudio pionero dirigido por investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities revela por qué las gotas de líquido tienen la capacidad de erosionar superficies duras.

El descubrimiento, publicado en Nature Communications, podría ayudar a los ingenieros a diseñar materiales mejores y más resistentes a la erosión. Usando una técnica recientemente desarrollada, los investigadores pudieron medir cantidades ocultas, como el esfuerzo cortante y la presión creada por el impacto de las gotas de líquido en las superficies, un fenómeno que solo se ha estudiado visualmente. Los investigadores han estado estudiando el impacto de las gotas durante años, desde la forma en que las gotas de lluvia golpean el suelo hasta la transmisión de patógenos como el COVID-19 en aerosoles. Es bien sabido que las gotas de agua que gotean lentamente pueden erosionar las superficies con el tiempo. Pero, ¿por qué algo aparentemente suave y fluido puede tener un impacto tan grande en las superficies duras? "Hay dichos similares en las culturas oriental y occidental de que 'el goteo de agua ahueca la piedra'", explicó en un comunicado Xiang Cheng, autor principal del artículo y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota. "Tales dichos tienen la intención de enseñar una lección moral: 'Sé persistente. Incluso si eres débil, cuando sigues haciendo algo continuamente, tendrás un impacto'. Pero, cuando tienes algo tan suave como gotas que golpean algo tan duro como rocas, no puedes evitar preguntarte: '¿Por qué el impacto de la caída causa algún daño?' Esa pregunta es lo que motivó nuestra investigación". En el pasado, el impacto de las gotas solo se analizaba visualmente con cámaras de alta velocidad. La nueva técnica de los investigadores de la Universidad de Minnesota, llamada microscopía de estrés de alta velocidad, proporciona una forma más cuantitativa de estudiar este fenómeno al medir directamente la fuerza, el estrés y la presión debajo de las gotas de líquido cuando golpean las superficies. Los investigadores descubrieron que la fuerza ejercida por una gota en realidad se extiende con la gota que impacta, en lugar de concentrarse en el centro de la gota, y la velocidad a la que la gota se extiende supera la velocidad del sonido en períodos breves, lo que genera un impacto de onda a través de la superficie. Cada gota se comporta como una pequeña bomba, liberando su energía de impacto de forma explosiva y dándole la fuerza necesaria para erosionar las superficies con el tiempo. Además de allanar una nueva forma de estudiar el impacto de las gotas, esta investigación podría ayudar a los ingenieros a diseñar superficies más resistentes a la erosión para aplicaciones que deben soportar los elementos exteriores. Cheng y su laboratorio en la Universidad de Minnesota Twin Cities ya planean expandir esta investigación para estudiar cómo las diferentes texturas y materiales cambian la cantidad de fuerza creada por las gotas de líquido.

"Por ejemplo, pintamos la superficie de un edificio o cubrimos las palas de las turbinas eólicas para proteger las superficies", dijo Cheng. "Pero con el tiempo, las gotas de lluvia aún podrían causar daños por impacto. Por lo tanto, nuestra investigación después de este artículo es ver si podemos reducir la cantidad de esfuerzo cortante de las gotas, lo que nos permitiría diseñar superficies especiales que puedan mitigar el estrés".