O que é o salto hidráulico, fenômeno observado p/ Da Vinci que só agora a ciência conseguiu explicar

[Fúria da cidade]

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  É possível ver um salto hidráulico na pia do banheiro quando vamos escovar os dentes

Leonardo da Vinci documentou no século 16 um fenômeno curioso que você pode ver em casa todos os dias.

Ao abrirmos a torneira para escovar os dentes, a água se espalha quando toca a superfície da pia antes de cair no ralo.

Esse fenômeno se chama salto hidráulico, e, até agora, pensava-se que ocorria como resultado da ação da gravidade.

Mas Rajesh Bhagat, um estudante de doutorado em engenharia química da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, demostrou haver outra explicação.

Segundo Bhagat, compreender a mecânica desse fenômeno pode ajudar a reduzir significativamente o consumo da água.

"Como começamos o dia? Tomando banho com uma ducha que usa entre 40 e 60 litros de água. E já vimos em locais como a Cidade do Cabo (África do Sul) como a falta de água obrigou a racionar este recurso nos últimos dois anos", diz o cientista.

"Se compreendemos o salto hidráulico e como a água se espalha, podemos entender como economizar água. Saber como manipular o limite de um salto hidráulico é muito importante, e, agora, com essa teoria, podemos facilmente ampliar ou reduzir esse limite."

O estudo tem aplicações especialmente em escala industrial. "Entender esse processo poderia reduzir drasticamente o uso industrial de água e já se está usando essa teoria no departamento de Engenharia Química da universidade", disse Bhagat. Afinal, a que se deve esse comportamento da água?
Os fatores da Física que causam o salto hidráulico

"Quando você abre a torneira da cozinha, vê que o jato toca a superfície da pia e se espalha em uma camada fina em forma radial, que muda de espessura abruptamente, em um ponto específico", explicou Bhagat à BBC Mundo, o serviço em espanhol da BBC News.

"Essa alteração repentina da profundidade do líquido ou da espessura dessa camada é o que se chama de salto hidráulico. No exemplo da torneira, vemos um exemplo de salto hidráulico circular, mas há outros tipos no mar e em rios."

Em busca de uma explicação para os saltos hidráulicos, Bhagat disparou sobre superfícies planas jatos de água para cima e para os lados, em diferentes ângulos.

St. John's College/University of Cambridge

Bhagat fez experimentos em busca de uma explicação para os saltos hidráulicos

O pesquisador observou em ambos os casos os mesmos saltos hidráulicos circulares de quando a água cai para baixo.

"Qualquer que seja o ângulo ou a direção do jato, vimos em gravações com câmeras de alta velocidade que o salto hidráulico é o mesmo", explicou Bhagat à BBC News Mundo, o serviço em espanhol da BBC.
"O experimento nos indicou que a causa poderia ser qualquer uma, menos a gravidade."

Caiu por terra assim uma crença que existia desde o século 19. O cientista garante que, em vez disso, os fatores que afetam os saltos hidráulicos são a tensão superficial da água e sua viscosidade.
Um fenômeno que permite a insetos caminhar sobre a água

"Se a camada do líquido é fina, a tensão superficial é muito importante", destaca o pesquisador.

"O que acontece é que o líquido tem um momentum, uma determinada força o empurra adiante, mas a tensão superficial o empurra na direção contrária, porque quer contraí-lo e, em certo ponto, essas forças se equilibram, e ali ocorre um salto hidráulico. Demonstramos isso com equações matemáticas."

A tensão superficial mede a coesão que existe entre as moléculas de um líquido. Poderia se dizer que é a força que um objeto tem que superar para atravessar ou submergir em um líquido.

A tensão superficial é o que permite, por exemplo, que alguns insetos possam caminhar sobre a água, já que, por serem muito leves, seu peso não consegue romper a coesão que existe entre as moléculas da superfície.

A tensão superficial é o que permite que alguns insetos possam caminhar sobre a água

Por sua vez, a viscosidade é a resistência de um fluido a mudar de forma e que se deve às forças de aderência entre as moléculas de um líquido.

Bhagat alterou em seus experimentos a tensão superficial e a viscosidade da água e conseguiu prever com precisão o tamanho dos saltos hidráulicos independentemente da direção da água.
Descoberta 'inovadora' sobre a dinâmica dos fluidos

A descoberta do estudante é "inovadora", de acordo com o professor Paul Linden, diretor de pesquisa do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica da Universidade de Cambridge.

"Seus experimentos e teoria mostram que a tensão superficial do líquido é a chave do processo, e nunca antes se havia reconhecido isso, apesar de o problema ter sido discutido por Da Vinci e muitos outros desde então", disse Linden, coautor do estudo, publicado na revista Journal of Fluid Mechanics.

"Esse trabalho representa um feito notável para nossa compreensão da dinâmica das finas capas de fluidos."

Bhagat diz que a teoria pode ser usada de múltiplas formas para identificar formas mais eficientes de "limpar tudo, de automóveis a equipamentos de fábricas".

"Se compreendemos o salto hidráulico e como a água se espalha, podemos entender como economizar água. Saber como manipular o limite de um salto hidráulico é muito importante, e, agora, com essa teoria, podemos facilmente ampliar ou reduzir esse limite", diz ele.

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Quando vejo avanço na teoria, sinto saudade da aulas de Mecânica dos Fluídos que tive na engenharia, uma parte da Física bem interessante que estuda o comportamento dos líquidos.

 

[Giuseppe]

"Se compreendemos o salto hidráulico e como a água se espalha, podemos entender como economizar água. Saber como manipular o limite de um salto hidráulico é muito importante, e, agora, com essa teoria, podemos facilmente ampliar ou reduzir esse limite."

O estudo tem aplicações especialmente em escala industrial. "Entender esse processo poderia reduzir drasticamente o uso industrial de água e já se está usando essa teoria no departamento de Engenharia Química da universidade", disse Bhagat.

"Se compreendemos o salto hidráulico e como a água se espalha, podemos entender como economizar água. Saber como manipular o limite de um salto hidráulico é muito importante, e, agora, com essa teoria, podemos facilmente ampliar ou reduzir esse limite", diz ele.

Excelente!

 

[Neoghoster Akira]

Comportamento da água é mó complexo mesmo.

Tem sempre algo inexplicado que ainda falta falar. Um exemplo de propriedades anômalas da água que já foram vistas:

http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_anomalies.html

Rationale for the low-temperature anomalies of liquid water
Four different scenarios have been suggested:



(1a) The stability limit conjecture. There is a limit (a singularity) to the mechanical stability of water at -45°C [18862995]. This was suggested to be associated with the cooperative formation of an open hydrogen-bonded network.



(1b) A singularity-free scenario. It was suggested that the simplest interpretation of the behavior of supercooled water consistent with experimental observations is free of singularities [2996ES) tetrahedral network on cooling. This may or may not be linked to a critical point at higher or negative pressures.



(2a) A liquid-liquid critical point. Increasingly, scientists attribute the low-temperature anomalous nature of water to the presence of a metastable second critical point at about -50°C (under pressure) when high-density liquid water and low-density liquid water no longer coexist within the same phase [29303134] but split into different phases, separated by a first-order phase transition.



(2b) A critical point free scenario. The “fragile-to-strong ” transition for supercooled water, rather than a critical point, is interpreted as the reason for the anomalies in supercooled water [312l].



It has recently been established that a second critical point exists [26022930, 32023134],.and the data supporting the other scenarios are all consistent with 2a above. Water's anomalies do not require this as an explanation, but it does seem likely [2947] that there is such a phenomenon and it would cause the attributed effects. The liquid-liquid critical point scenario does not contain any information concerning the structure of the two phases involved and, in this respect, it is a somewhat unproductive hypothesis as a sole explanation of these anomalies (as the attribution mixes cause with effect, as agreed by others [1859]. Liquid water may, therefore, be considered as a supercritical fluid that fluctuates between a low and a high-density liquid states. A description of the structures is given elsewhere.

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d

1. Water has an unusually high melting point. [Explanation]
2. Water has an unusually high boiling point. [Explanation]
3. Water has an unusually high critical point. [Explanation]
4. Solid water exists in a wider variety of stable (and metastable) crystal and amorphous structures than other materials. [Explanation]
5. The thermal conductivity, shear modulus and transverse sound velocity of ice reduce with increasing pressure. [Explanation]
6. The structure of liquid water changes at high pressure. [Explanation]
7. Supercooled water has two phases and a second critical point at about -91 °C. [Explanation]
8. Liquid water is easily supercooled but glassified with difficulty. [Explanation]
9. Liquid water exists at very low temperatures and freezes on heating. [Explanation]
10. Liquid water may be easily superheated. [Explanation]
11. Hot water may freeze faster than cold water; the Mpemba effect. [Explanation]
12. Warm water vibrates longer than cold water. [Explanation]
13. Water molecules shrink as the temperature rises and expand as the pressure increases. [Explanation]

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Water density anomalies

1. The density of ice increases on heating (up to 70 K). [Explanation]
2. Water shrinks on melting. [Explanation]
3. Pressure reduces ice's melting point. [Explanation]
4. Liquid water has a high-density that increases on heating (up to 3.984 °C). [Explanation]
5. The surface of water is denser than the bulk. [Explanation]
6. Pressure reduces the temperature of maximum density. [Explanation]
7. There is a minimum in the density of supercooled water. [Explanation]
8. Water has a low coefficient of expansion (thermal expansivity). [Explanation]
9. Water's thermal expansivity reduces increasingly (becoming negative) at low temperatures. [Explanation]
10. Water's thermal expansivity increases with increased pressure. [Explanation]
11. The number of nearest neighbors increases on melting. [Explanation]
12. The number of nearest neighbors increases with temperature. [Explanation]
13. Water has unusually low compressibility. [Explanation]
14. The compressibility drops as temperature increases up to 46.5 °C. [Explanation]
15. There is a maximum in the compressibility-temperature relationship. [Explanation]
16. The speed of sound increases with temperature up to 74 °C. [Explanation]
17. The speed of sound may show a minimum. [Explanation]
18. 'Fast sound' is found at high frequencies and shows a discontinuity at higher pressure. [Explanation]
19. NMR spin-lattice relaxation time is very small at low temperatures. [Explanation]
20. The NMR shift increases to a maximum at low (supercooled) temperatures [Explanation]
21. The refractive index of water has a maximum value at just below 0 °C. [Explanation]
22. The change in volume as liquid changes to gas is very large. [Explanation]

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Water material anomalies

1. No aqueous solution is ideal. [Explanation]
2. D2O and T2O differ significantly from H2O in their physical properties. [Explanation]
3. Liquid H2O and D2O differ significantly in their phase behavior. [Explanation]
4. H2O and D 2O ices differ significantly in their quantum behavior. [Explanation]
5. The mean kinetic energy of water's hydrogen atoms increases at low temperature (disputed). [Explanation]
6. Solutes have varying effects on properties such as density and viscosity. [Explanation]
7. The solubilities of non-polar gases in water decrease with temperature to a minimum and then rise. [Explanation]
8. The dielectric constant of water and ice are high. [Explanation]
9. The relative permittivity shows a temperature maximum. [Explanation]
10. The relative permittivity shows a 'kink' in its behavior with the temperature at 60 °C. [Explanation]
11. The imaginary part of the dielectric constant shows a minimum near 20 K. [Explanation]
12. Proton and hydroxide ion mobilities are anomalously fast in an electric field. [Explanation]
13. The electrical conductivity of water rises to a maximum at about 230 °C. [Explanation]
14. The electrical conductivity of water rises considerably with frequency. [Explanation]
15. Acidity constants of weak acids show temperature minima. [Explanation]
16. X-ray diffraction shows an unusually detailed structure. [Explanation]
17. Under high pressure water molecules move further away from each other with increasing pressure; a density-distance paradox. [Explanation]
18. Water adsorption may cause negative electrical resistance. [Explanation]

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Water thermodynamic anomalies

1. The heat of fusion of water with temperature exhibits a maximum at -17 °C. [Explanation]
2. Water has over twice the specific heat capacity of ice or steam. [Explanation]
3. The specific heat capacity (CP and CV) is unusually high. [Explanation]
4. The specific heat capacity CP has a minimum at 36 °C. [Explanation]
5. The specific heat capacity (CP) has a maximum at about -45 °C. [Explanation]
6. The specific heat capacity (CP) has a minimum with respect to pressure. [Explanation]
7. The heat capacity (CV) has a maximum. [Explanation]
8. The high heat of vaporization. [Explanation]
9. The high heat of sublimation. [Explanation]
10. The high entropy of vaporization. [Explanation]
11. The thermal conductivity of water is high and rises to a maximum at about 130 °C. [Explanation]

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Water physical anomalies

1. Water has unusually high viscosity. [Explanation]
2. Large viscosity and Prandtl number increase as the temperature is lowered. [Explanation]
3. Water's viscosity decreases with pressure below 33 °C. [Explanation]
4. Large diffusion decrease as the temperature is lowered. [Explanation]
5. At low temperatures, the self-diffusion of water increases as the density and pressure increase. [Explanation]
6. The thermal diffusivity rises to a maximum at about 0.8 GPa. [Explanation]
7. Water has unusually high surface tension. [Explanation]
8. Some salts give a surface tension-concentration minimum; the Jones-Ray effect. [Explanation]
9. Some salts prevent the coalescence of small bubbles. [Explanation]
10. The molar ionic volumes of salts show maxima with respect to temperature. [Explanation]

A própria subida da seiva nas árvores que depende da tensão superficial tem mais de uma teoria para explicar que dependeriam de elementos como adesão, polaridade, gravidade (que na notícia acima ficaria apenas como um fator e não como a causa determinante), etc...

 

[Fúria da cidade]

A própria subida da seiva nas árvores que depende da tensão superficial tem mais de uma teoria para explicar que dependeriam de elementos como adesão, polaridade, gravidade (que na notícia acima ficaria apenas como um fator e não como a causa determinante), etc...

Além da capilaridade do material e a viscosidade do líquido.
Fluídos tem várias propriedades e particularidades interessantes que variam e não a toa que até hoje são muito estudados, já que existe a intenção de um dia o ser humano habitar outros planetas é necessário prever o comportamento sob outras condições de pressão, temperatura, altitude e gravidade que novamente irão gerar novos comportamentos.