Lo que erosiona a una roca no es el agua, sino el sonido

Físicos de Estados Unidos y Chile, utilizando una técnica de microscopía de estrés de alta velocidad, han estudiado en detalle qué sucede con la superficie sobre la que cae una gota de líquido fluido cuya densidad siempre permanece constante (incompresible).

Descubrieron que los perfiles espacio-temporales de las tensiones mecánicas que surgen en esas condiciones difieren significativamente de los del impacto de bolas sólidas.

Las características identificadas por los científicos explican las causas de la erosión característica y la destrucción de las superficies sobre las que el agua gotea durante mucho tiempo. El estudio se publica en Nature Communications.

Es sabido que una secuencia suficientemente larga de impactos de gotas de agua sobre una superficie de piedra conduce a su erosión y destrucción.

Desde Lao Tse

Lao Tse, uno de los filósofos más relevantes de la civilización china, llamó la atención sobre este hecho en el siglo V a. C., diciendo que, al igual que una gota de agua sobre una roca, lo que es fluido y blando termina venciendo a lo que es rígido y duro.

Además de su significado filosófico, los efectos de los impactos de las gotas son relevantes para una amplia gama de procesos naturales, ambientales y de ingeniería, incluida la erosión del suelo, la conservación del patrimonio, el desgaste de las palas de las turbinas eólicas y de vapor, etc.

Aunque los físicos conocen bien el mecanismo de daño a las superficies sólidas causadas por el impacto de gotas que vuelan a velocidades de varios cientos de metros por segundo, la comprensión de la erosión por impacto de gotas que ocurre en la mayoría de los casos naturales, está todavía en su más tierna infancia.

Muchos de los datos disponibles en la actualidad se han obtenido utilizando imágenes de alta velocidad y, por lo tanto, solo nos permiten juzgar la cinemática de la caída.

Por otro lado, las investigaciones que estudiaron las propiedades dinámicas de este proceso tenían una resolución espacial y temporal insuficiente para identificar sin ambigüedades las causas de la erosión.

Limitaciones superadas

Xiang Cheng, de la Universidad de Minnesota, y sus colegas de Estados Unidos y Chile, pudieron superar las limitaciones existentes y comprender los detalles de qué procesos dinámicos provocan una pequeña gota de agua cuando golpea una superficie dura.

Estudiaron cómo se propaga el estrés a través de la superficie y profundidad de un sólido y lo compararon con los efectos de una bola de acero que cae. Resultó que la gota de líquido actúa sobre el sustrato de una manera fundamentalmente diferente y compleja.

La idea del método es producir un sustrato sólido a partir de un polímero (polidimetilsiloxano) con una mezcla de partículas de poliestireno fluorescente, de 30 micrómetros de diámetro.

Los físicos formaron un plano de luz en el sustrato a partir de un rayo láser, que era perpendicular a la superficie y pasaba estrictamente por el medio de las gotas que caían sobre él.

Al observar el resplandor de las micropartículas desde un lado con una cámara de alta velocidad, pudieron registrar su desplazamiento a una frecuencia de 40.000 fotogramas por segundo. El desplazamiento en sí fue procesado por un algoritmo, lo que hizo posible lograr una resolución espacial de 115 micrómetros.

El impacto de una gota de agua sobre una superficie arenosa deja un cráter de erosión debido a la presión y el esfuerzo cortante del impacto de la gota. Crédito del video: Cheng Research Group, Universidad de Minnesota.

Bolas de acero

Para crear gotas, los autores prepararon una solución acuosa de yoduro de sodio. El sistema de suministro de gotas se diseñó de tal manera que su diámetro fuera de 3,49 milímetros y la velocidad en la superficie fuera de 2,97 metros por segundo.

A modo de comparación, los físicos arrojaron bolas de acero con un diámetro de 3,16 milímetros y una velocidad de 0,49 metros por segundo a la muestra.

Para reducir los errores, los datos del microscopio se promediaron dos veces: primero, sobre una secuencia de cinco impactos idénticos, y luego sobre tres de esas secuencias para diferentes puntos del sustrato.

La comparación del impacto cortante reveló grandes diferencias en los impactos de bolas y caídas de acero. Si en el primer caso la tensión permaneció localizada en el punto de impacto, en el segundo caso se movió radialmente al aplanarse la gota.

Impacto líquido

Esto se debe al comportamiento del líquido al impactar. Al principio, la parte inferior de la gota forma un pedestal plano (laminilla) que crece a medida que la gota desciende.

El punto donde el límite de la gota pasa a la lámina se denomina punto de inflexión, ya que el flujo de líquido cambia abruptamente de dirección, arrastrando consigo la superficie del sustrato.

Este mecanismo fue confirmado por el hecho de que la dependencia de la coordenada del pico de voltaje con el tiempo transcurrido concuerda bien con la fórmula obtenida por los teóricos para el punto de inflexión.

También aparecieron otras diferencias al comparar el comportamiento de la tensión normal (compresión) para caídas y balones. Como en el caso del esfuerzo cortante, los físicos vieron un frente de propagación para el impacto de las gotas, que los teóricos también habían predicho previamente, pero que nadie había observado nunca.

Misterio aclarado

Sin embargo, resultó inesperado que, a partir de un momento determinado, comenzaron a aparecer regiones de presión negativa (estiramiento) en la superficie del sustrato, lo que indica la formación de una onda acústica superficial u onda de Rayleigh.

Dado que la velocidad de propagación del sonido desde los puntos de inflexión depende del tiempo, en el momento inicial del proceso se encuentra en régimen supersónico.

Cuando la onda de Rayleigh alcanza los puntos de inflexión, se produce una resonancia y un aumento explosivo de su amplitud. La onda de descompresión resultante debilita la unión dentro del material y promueve una erosión severa.

Dicho de otra forma, la fuerza ejercida por una gota 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 onda acústica a través de la superficie.

Eso significa que cada gota de agua se comporta como una pequeña bomba, que libera su energía de impacto de forma explosiva, proporcionándole así la potencia necesaria para erosionar las superficies a lo largo del tiempo. Misterio aclarado.

Referencia

Stress distribution and surface shock wave of drop impact. Ting-Pi Sun et al. Nature Communications, volume 13, Article 1703 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-29345-x