Impacto de caída

Resultado de una gota de líquido que golpea una superficie sólida o líquida

Una gota que golpea una superficie líquida; en este caso, tanto la gota como la superficie son agua.

En dinámica de fluidos , el impacto de una gota ocurre cuando una gota de líquido golpea una superficie sólida o líquida. El resultado depende de las propiedades de la gota, la superficie y el fluido circundante , que normalmente es un gas .

Sobre una superficie sólida y seca

Cuando una gota de líquido golpea una superficie sólida seca, generalmente se esparce sobre la superficie y luego se retrae si el impacto es lo suficientemente enérgico como para hacer que la gota se esparza más de lo que generalmente se esparciría debido a su ángulo de contacto de retroceso estático. El resultado específico del impacto depende principalmente del tamaño de la gota, la velocidad, la tensión superficial , la viscosidad y también de la rugosidad de la superficie y el ángulo de contacto entre la gota y la superficie. ^[1] Los parámetros de impacto de la gota, como el tiempo de contacto y el régimen de impacto, se pueden modificar y controlar mediante diferentes métodos pasivos y activos. ^[2]

Resumen de los posibles resultados

• Se dice que se produce "deposición" cuando la gota se extiende sobre la superficie en el momento del impacto y permanece adherida a ella durante todo el proceso de impacto sin romperse. ^[1] Este resultado es representativo del impacto de gotas pequeñas y de baja velocidad sobre superficies lisas y humectantes .
• El resultado de "salpicadura inmediata" ocurre cuando la gota golpea una superficie rugosa y se caracteriza por la generación de gotitas en la línea de contacto (donde se encuentran el sólido, el gas y el líquido) al comienzo del proceso de propagación de la gota en la superficie, cuando el líquido tiene una alta velocidad hacia afuera. ^[1]
• Si la tensión superficial se reduce, la capa de líquido puede desprenderse de la pared y producir una "salpicadura de corona". ^[3]

Salpicadura de corona sobre una superficie sólida seca.

• En una superficie humectante, puede producirse una "ruptura por retroceso" a medida que el líquido se retrae de su radio máximo de expansión, debido a que el ángulo de contacto disminuye durante la retracción, lo que hace que algunas gotas queden atrás de la gota que retrocede. ^[1] En superficies superhidrofóbicas , la gota que se retrae puede romperse en varios dedos que son capaces de romperse aún más, probablemente debido a la inestabilidad capilar. ^[3] Se ha observado que estas gotitas satélite se desprenden de la gota que impacta tanto durante la fase de expansión como de retracción. ^[4]
• Los resultados de "rebote" y "rebote parcial" pueden ocurrir cuando una gota retrocede después del impacto. A medida que la gota retrocede hasta el punto de impacto, la energía cinética de la gota que colapsa hace que el líquido se estire hacia arriba, formando una columna de líquido vertical. El caso en el que la gota permanece parcialmente en la superficie pero lanza una o más gotas en su parte superior se conoce como rebote parcial, mientras que el caso en el que la gota entera abandona la superficie sólida debido a este movimiento ascendente se conoce como rebote completo. ^[3] La diferencia entre rebote y rebote parcial es causada por el ángulo de contacto de retroceso de la gota en la superficie. Para valores bajos se produce un rebote parcial, mientras que para valores altos se produce un rebote completo (suponiendo que la gota retroceda con suficiente energía cinética). ^[1] La adición de polímeros como el xantano al agua altera sus propiedades reológicas, pasando de un fluido newtoniano a uno viscoelástico. En consecuencia, esta modificación afecta la forma de la gota al rebotar desde una superficie sólida. ^[5]

Sobre superficies superhidrofóbicas

Pequeña deformación por caída

En superficies superhidrofóbicas, se observa que las gotas de líquido rebotan en la superficie sólida. Richard y Quéré demostraron que una pequeña gota de líquido podía rebotar en una superficie sólida más de 20 veces antes de detenerse. ^[6] De particular interés es el tiempo que la gota permanece en contacto con la superficie sólida. Esto es importante en aplicaciones como la transferencia de calor y la formación de hielo en aeronaves. Para encontrar una relación entre el tamaño de la gota y el tiempo de contacto para impactos de bajo número de Weber (We << 1) en superficies superhidrofóbicas (que experimentan poca deformación), se puede utilizar un simple equilibrio entre la inercia ( ) y la capilaridad ( ), ^[7] de la siguiente manera: ${\displaystyle \rho R/\tau ^{2}}$ ${\displaystyle \sigma /R^{2}}$

${\displaystyle \rho R/\tau ^{2}\propto \sigma /R^{2}}$

donde es la densidad de la gota, R es el radio de la gota, es la escala de tiempo característica y es la tensión superficial de la gota. ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \sigma }$

Esto produce

${\displaystyle \tau \propto {\sqrt {\rho /\sigma }}R^{3/2}}$.

El tiempo de contacto es independiente de la velocidad en este régimen. El tiempo de contacto mínimo para una gota de baja deformación (We << 1) se aproxima al período de oscilación de orden más bajo para una gota esférica ^[8] , lo que da al tiempo característico un factor de prefijo de aproximadamente 2,2 ^[9] . Para gotas de gran deformación (We > 1), se observan tiempos de contacto similares aunque la dinámica del impacto sea diferente, como se analiza a continuación ^[9] . Si la gota se divide en múltiples gotas, el tiempo de contacto se reduce ^{[9] .}

Ruptura de una gota de agua que impacta contra una superficie superhidrofóbica con un número de Weber de aproximadamente 214.

Al crear superficies cónicas con un gran espaciamiento, la gota que impacta exhibirá el rebote anti-intuitivo de panqueque, caracterizado por el rebote de la gota al final de la expansión sin retracción, lo que resulta en una reducción del tiempo de contacto de aproximadamente el 80%. ^[10]

Deformación significativa por caída

A medida que aumenta el número de Weber, también aumenta la deformación de la gota tras el impacto. El patrón de deformación de la gota se puede dividir en regímenes según el número de Weber. ^[7]

• En We << 1, no hay deformación significativa.
• Para nosotros del orden de 1, la gota experimenta una deformación significativa y se aplana un poco en la superficie.
• Cuando tenemos ~ 4 años, se forman ondas en la gota.
• Cuando tenemos unos 18 años, las gotas satélite se desprenden de la gota, que ahora es una columna vertical alargada.
• En el caso de We grandes (cuya magnitud depende de la estructura superficial específica), muchas gotas satélite se desprenden durante la expansión y/o retracción de la gota. ^[4]

Sobre una superficie sólida y húmeda

Cuando una gota de líquido golpea una superficie sólida húmeda (una superficie cubierta con una fina capa de líquido que excede la altura de la rugosidad de la superficie), se producirá una dispersión o una salpicadura. ^[3] Si la velocidad está por debajo de un valor crítico, el líquido se esparcirá sobre la superficie, de forma similar a la deposición descrita anteriormente. Si la velocidad supera la velocidad crítica, se producirá una salpicadura y se puede generar una onda de choque. ^{[11] [12]} Las salpicaduras sobre películas finas de fluido se producen en forma de corona, similar a la que se observa en superficies sólidas secas. En condiciones adecuadas, la gota que golpea una interfaz de líquido también puede mostrar un rebote de tipo superhidrofóbico, caracterizado por el tiempo de contacto, la dinámica de dispersión y el coeficiente de restitución independientes de las propiedades del líquido subyacente. ^[13]

Sobre una superficie líquida

Cuando una gota de líquido golpea la superficie de un depósito de líquido, flotará, rebotará, se fusionará con el depósito o salpicará. ^[14] En el caso de flotar, una gota flotará en la superficie durante varios segundos. Se informa que la limpieza de la superficie del líquido es muy importante en la capacidad de las gotas para flotar. ^[15] El rebote de la gota puede ocurrir en superficies de líquido perturbadas. ^[14] Si la gota es capaz de romper una fina película de gas que la separa del depósito de líquido, puede fusionarse. Finalmente, los impactos de gotas de número Weber más alto (con mayor energía) producen salpicaduras. En el régimen de salpicadura, la gota que golpea crea un cráter en la superficie del fluido, seguido de una corona alrededor del cráter. Además, un chorro central, llamado chorro de Rayleigh o chorro de Worthington , sobresale del centro del cráter. ^{[14] [16]} Si la energía del impacto es lo suficientemente alta, el chorro se eleva hasta el punto en el que se desprende, enviando una o más gotas hacia arriba fuera de la superficie.

Véase también

• Salpicaduras (mecánica de fluidos)

Referencias

1. Rioboo, Romain, Cameron Tropea y Marco Marengo. "Resultados del impacto de una gota sobre superficies sólidas". Atomización y pulverizaciones 11.2 (2001)
2. Biroun, Mehdi H.; Li, Jie; Tao, Ran; Rahmati, Mohammad; McHale, Glen; Dong, Linxi; Jangi, Mehdi; Torun, Hamdi; Fu, YongQing (12 de agosto de 2020). "Ondas acústicas para la reducción activa del tiempo de contacto en el impacto de gotas". Physical Review Applied . 14 (2): 024029. Bibcode :2020PhRvP..14b4029B. doi :10.1103/PhysRevApplied.14.024029. S2CID  225429856.
3. Yarin, AL "Dinámica del impacto de las gotas: salpicadura, propagación, retroceso, rebote..." Annu. Rev. Fluid Mech. 38 (2006): 159-192
4. Tsai, Peichun, et al. "Impacto de una gota sobre superficies superhidrofóbicas micro y nanoestructuradas". Langmuir 25.20 (2009): 12293-12298
5. Biroun, Mehdi H.; Haworth, Luke; Abdolnezhad, Hossein; Khosravi, Arash; Agrawal, Prashant; McHale, Glen; Torun, Hamdi; Semprebon, Ciro; Jabbari, Masoud; Fu, Yong-Qing (25 de abril de 2023). "Dinámica de impacto de gotas no newtonianas en superficies superhidrofóbicas". Langmuir . 39 (16): 5793–5802. doi :10.1021/acs.langmuir.3c00043. ISSN  0743-7463. PMC 10134492 . PMID  37041655. 
6. Richard, D. y D. Quéré. "Gotas de agua que rebotan". EPL 50.6 (2000): 769
7. Richard, Denis, Christophe Clanet y David Quéré. "Fenómenos de superficie: tiempo de contacto de una gota que rebota". Nature 417.6891 (2002): 811-811
8. Rayleigh, Lord. "Sobre los fenómenos capilares de los chorros". Actas de la Royal Society de Londres 29.196-199 (1879): 71-97
9. Bird, James C., et al. "Reducción del tiempo de contacto de una gota que rebota". Nature 503.7476 (2013): 385-388
10. Yahua Liu, Lisa Moevius, Xinpeng Xu, Tiezheng Qian, Julia M Yeomans, Zuankai Wang. "Panqueque rebotando sobre superficies superhidrófobas". Física de la naturaleza, 10, 515-519 (2014)
11. Fujisawa, K.; Yamagata, T.; Fujisawa, N. (2018). "Efecto de amortiguación sobre la presión de impacto de gotas de líquido sobre una pared húmeda". Anales de energía nuclear . 121 : 260–268. Código Bibliográfico :2018AnNuE.121..260F. doi :10.1016/j.anucene.2018.07.008. S2CID  125953516.
12. Haller, KK; Ventikos, Y.; Poulikakos, D.; Monkewitz, P. (septiembre de 2002). "Estudio computacional del impacto de gotas de líquido a alta velocidad". Journal of Applied Physics . 92 (5): 2821–2828. Bibcode :2002JAP....92.2821H. doi :10.1063/1.1495533. ISSN  0021-8979.
13. Chonglei Hao, Jing Li, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Yahua Liu, Rong Liu, Lufeng Che, Wenzhong Zhou, Dong Sun, Lawrence Li, Lei Xu, Zuankai Wang. "Gota sintonizable de tipo superhidrófobo que rebota en interfaces líquidas resbaladizas". Comunicaciones de la naturaleza, doi : 10.1038/ncomms8986
14. Rein, Martin. "Fenómenos del impacto de gotas de líquido sobre superficies sólidas y líquidas". Fluid Dynamics Research 12.2 (1993): 61-93
15. Reynolds, Osborne. "Sobre la flotación de gotas en la superficie del agua, que depende únicamente de la pureza de la superficie". Proc. Manchester Lit. Phil. Soc 21.1 (1881)
16. Jamali, M.; Rostamijavanani, A.; Nouri, NM; Navidbakhsh, M. (1 de septiembre de 2020). "Un estudio experimental de las formaciones de cavidades y chorros de Worthington causadas por la caída de una esfera en una película de petróleo sobre el agua". Applied Ocean Research . 102 : 102319. Bibcode :2020AppOR.10202319J. doi :10.1016/j.apor.2020.102319. ISSN  0141-1187. S2CID  225306877.