Estudando Fluidos de Baixa Viscosidade: Comportamento e Aplicações

Esse artigo explora como certos líquidos se comportam quando são esticados e como isso se relaciona com a maneira como eles fluem. A gente foca em fluidos com baixa espessura, conhecidos como fluidos de baixa viscosidade. Esses líquidos estão presentes em várias aplicações, como impressão, processamento de alimentos e tratamentos médicos para dificuldades de deglutição.

A forma como os fluidos se comportam quando são esticados é diferente de como eles se comportam quando são empurrados ou puxados. Queremos ver se há uma conexão entre esses dois tipos de comportamento em fluidos de baixa viscosidade. Estudando essa conexão, podemos entender melhor como trabalhar com esses fluidos em diferentes indústrias.

#Importância da Reologia

A reologia é a área da ciência que estuda como os materiais fluem e mudam de forma. Entender o comportamento dos fluidos é crucial para várias indústrias. Por exemplo, isso ajuda as empresas a criarem tintas melhores para impressoras, a projetarem produtos alimentícios com a textura certa e a desenvolverem soluções médicas que sejam mais fáceis para os pacientes consumirem.

Para aproveitar ao máximo essas aplicações, é importante avaliar tanto como os fluidos fluem quando são pressionados (fluxo de cisalhamento) quanto como se comportam quando são esticados (fluxo extensional). No entanto, não foi feita muita pesquisa sobre como esses dois tipos de fluxo se relacionam para fluidos de baixa viscosidade.

#Medindo Comportamentos de Fluidos

Na nossa pesquisa, usamos duas técnicas principais para medir como os fluidos se comportam tanto em casos de cisalhamento quanto de estiramento. Para a Viscosidade Extensional, usamos um método chamado CaBER-DoS, que significa reometria extensional de quebra capilar gotejando sobre um substrato. Para a Viscosidade de cisalhamento, utilizamos um dispositivo chamado reômetro de cisalhamento.

Analisando uma série de fluidos diferentes com espessuras variadas, conseguimos reunir uma gama de dados. Esses dados incluíram medições de quão grossos os líquidos eram e como se comportavam quando esticados ou pressionados.

#Diferentes Técnicas de Medição

Existem vários métodos para medir como os fluidos reagem ao serem esticados ou pressionados. Alguns comuns são CaBER e FiSER. Embora esses métodos tenham sido populares, eles tendem a funcionar melhor para fluidos mais grossos.

No entanto, nosso estudo focou em usar o CaBER-DoS, que consegue medir líquidos finos com mais eficácia. Esse método funciona deixando um líquido cair sobre uma superfície e registrando como a gota vai afinando ao longo do tempo. Assim, conseguimos reunir informações detalhadas sobre o comportamento do líquido.

Com métodos tradicionais, como CaBER e FiSER, os tipos de fluidos que podem ser medidos com precisão são limitados. O CaBER-DoS permite testar uma gama mais ampla de fluidos, oferecendo dados mais extensos sobre suas propriedades.

#Configuração Experimental

Nos nossos experimentos, montamos um sistema com um bico e uma superfície de vidro. Uma seringa cheia do líquido teste deixava o fluido cair sobre a superfície de vidro. A gota então se espalhava, formando uma ponte líquida fina. Usamos uma câmera de alta velocidade para capturar imagens do filamento líquido enquanto ele afinava ao longo do tempo.

A configuração foi desenhada para minimizar fatores externos que poderiam afetar os resultados, garantindo medições precisas do comportamento do fluido.

#Observando o Comportamento do Líquido

Enquanto realizamos experimentos com diferentes fluidos, registramos mudanças no raio do filamento - ou como o líquido estava afinando. Nossos achados mostraram que diferentes concentrações do fluido afetavam a velocidade com que ele afinava.

Por exemplo, concentrações mais altas resultaram em um tempo maior para que o filamento se rompesse. Também observamos que o comportamento de fluidos de baixa concentração era diferente dos de alta concentração, indicando uma relação complexa entre concentração e viscosidade.

#Entendendo a Viscosidade Extensional

Quando medimos a viscosidade extensional, descobrimos que ela geralmente diminuía à medida que o fluido era esticado mais rapidamente. Esse comportamento é conhecido como afinamento por deformação, onde o líquido fica mais fácil de esticar com o tempo. Fluidos de alta concentração mantiveram uma viscosidade maior em comparação com os de menor concentração.

Nossa análise focou na fase de necking intermediário, onde as forças viscosas eram dominantes. Essa fase nos permitiu fazer uma conexão clara entre como o líquido se comportava ao ser esticado e como fluía sob pressão.

#Observações sobre a Viscosidade de Cisalhamento

As medições de viscosidade de cisalhamento revelaram que os fluidos também apresentaram afinamento por cisalhamento. Na viscosidade de cisalhamento, quanto mais força era aplicada ao fluido, mais sua espessura diminuía. Novamente, concentrações mais altas levaram a um efeito de afinamento por cisalhamento mais forte.

Assim como na viscosidade extensional, vimos que em concentrações mais baixas, a viscosidade de cisalhamento se aproximava de um valor similar ao de um fluido newtoniano, que flui sem mudar sua viscosidade.

#Relação Entre Comportamentos de Fluidos

Nossos experimentos indicaram uma conexão entre os comportamentos dos fluidos quando esticados e empurrados. Descobrimos que a relação da lei de potência, que descreve como a viscosidade muda, se mantinha verdadeira em várias concentrações dos líquidos.

Em termos mais simples, quando ajustamos a concentração dos fluidos, a relação entre como eles fluíam sob pressão e como se comportavam quando esticados permanecia consistente. Essa descoberta pode ajudar a prever o comportamento desses fluidos em aplicações do mundo real.

#Aplicações Industriais

Entender a ligação entre viscosidade extensional e de cisalhamento é especialmente útil para indústrias que dependem de fluidos de baixa viscosidade. Por exemplo, na indústria de impressão, poder prever como um fluido se comportará ao ser injetado pode ajudar a melhorar a precisão e a qualidade dos materiais impressos.

No processamento de alimentos, saber como um líquido se comportará pode ajudar a criar produtos com a textura e sensação na boca certas, aumentando a satisfação do consumidor. Da mesma forma, em aplicações médicas, entender o comportamento do fluido pode levar a melhores formulações para pacientes que precisam de produtos mais fáceis de consumir.

#Conclusão

Nossa pesquisa ilumina a conexão entre como fluidos de baixa viscosidade se comportam quando esticados e quando empurrados. Usando técnicas de medição avançadas, conseguimos reunir dados extensivos que destacam as relações entre várias propriedades dos fluidos.

Os resultados não só vão aumentar nosso entendimento sobre a mecânica dos fluidos, mas também oferecer insights práticos para indústrias que trabalham com fluidos de baixa viscosidade. Trabalhos futuros podem se basear nessas descobertas para aprimorar ainda mais nosso conhecimento e melhorar as aplicações desses materiais importantes.