Sobre a sonofusão por ultrassons
A sonofusão
20 de agosto de 2005
Você sabe como um avião voa, suponho. Caso contrário, leia "E se voássemos?", também conhecido como "o Aspirisopra". Forma-se uma depressão na parte superior da asa, seu "extradorso".
Asa de avião
Aliás, qual é a ordem de grandeza da depressão existente na superfície dessa asa? Peguemos um pequeno avião de turismo, monoposto. Suponhamos que seu peso em carga seja de 300 quilos e sua área de asa de 18 metros quadrados. Isso lhe dá uma carga alar de 16 quilos por metro quadrado, ou seja, 1,6 grama por centímetro quadrado. Como a pressão atmosférica ao nível do mar é de mil gramas por centímetro quadrado, essa diferença média de pressão entre o extradorso e o intradorso da asa é da ordem de alguns milibares. É por isso que conseguimos voar com aviões de tecido e por que não se recomenda pisar na asa, fora das áreas reservadas para isso. Caso contrário, você atravessa a estrutura.
E na água? Ela é mil vezes mais densa que o ar. A mesma velocidade permite "voar na água" com "asas" muito menores. Chamam-nas de "foils".
Asas e foils
Se conseguimos sustentar-nos em superfícies tão reduzidas é porque as variações de pressão são muito maiores. Imaginemos que esses foils se movam muito próximos da superfície líquida, ou seja, em um meio onde a pressão ambiente está próxima de um quilograma por centímetro quadrado. O barco à direita se sustenta graças a diferenças de pressão muito maiores do que as medidas ao redor do perfil de uma asa de avião. É por isso que os foils não são de tecido, mas feitos de aço forte e sólido.
Por que, aliás, há uma depressão no extradorso da asa? Na água, isso é mais fácil de entender. A massa fluida atinge o perfil no ponto de estagnação e depois acelera novamente. Ao fazê-lo, adquire velocidade adicional e sofre também os efeitos da força centrífuga.
O que acontece quando um líquido é submetido a uma depressão? Podemos fazer isso com um cilindro e um pistão. Se, puxando o pistão, fizermos a pressão no líquido cair abaixo do valor da pressão de vapor saturado à temperatura considerada, bolhas (pequenas) se formarão. Elas não têm nada a ver com as bolhas do champanhe, que indicam a presença de gás dissolvido na bebida. Essas são preenchidas com vapor d'água. Esse é o fenômeno da cavitação.
Fenômeno de cavitação
Aqui está uma fotografia do fenômeno, provocado em um cilindro.
Bolhas de cavitação
Em 1917, a Marinha Britânica convocou o físico William Strutt, também conhecido como Lord Raleigh, para apresentar um problema estranho. As hélices de bronze dos navios da Rainha estavam todas danificadas, cobertas de pequenos furos, embora fossem quase novas. Os almirantes se perguntavam se o mar poderia abrigar parasitas capazes de atacar o metal das hélices. Abaixo, uma foto mais recente mostrando os estragos que a cavitação pode causar nas pás de uma bomba centrífuga.
Danos causados pela cavitação em uma bomba centrífuga. Muito impressionante, não?
Aqui está uma visão ampliada, mostrando as "picadas" observadas no metal.
Danos causados pela cavitação em uma pá de bronze.
Contrariamente ao que os almirantes ingleses haviam pensado inicialmente, não se tratava de vespas hidrobiológicas de espécie desconhecida. Lord Raleigh realizou alguns cálculos e forneceu a explicação. Nas pás de suas hélices, as depressões geradas eram suficientemente fortes para que a pressão caísse localmente abaixo da pressão de vapor saturado da água. Esta, portanto, entrava localmente em ebulição. Um detalhe: qual é, à temperatura ambiente, a pressão de vapor saturado da água?
Resposta: alguns pascals, ou seja, um centésimo de milibar. As depressões que se formam ao redor das pás, na hidráulica, são muito intensas. É por isso que conseguimos impulsionar um motor de popa com um objeto tão ridículamente pequeno quanto uma hélice. Aqui está uma pá de hélice em rotação. A seta indica a presença das bolhas de vapor d'água correspondentes ao fenômeno de cavitação.
Cavitação perto da borda de ataque de uma pá de hélice em rotação.
Distingue-se um filete de bolhas de vapor d'água que surgem na borda da pá. Mas sua origem é de natureza diferente. Ela é devida ao vórtice marginal e assemelha-se às trilhas de condensação que se formam na ponta das asas dos aviões. Não vamos abordar isso aqui. Consideremos a evolução da pressão ao longo do extradorso de uma pá de hélice:
Evolução da pressão ao longo do extradorso de uma pá de hélice
A curva é apenas esquemática. Vemos que ao longo da corda do perfil a pressão cai rapidamente. Quando se torna inferior à pressão de vapor saturado do líquido, água, bolhas aparecem, aumentando de tamanho à medida que a pressão continua a cair. Mesmo que a parte seguinte do perfil permaneça, em relação à pressão ambiente, em depressão, a pressão finalmente sobe e torna-se novamente superior à pressão de vapor saturado na água. Então o vapor d'água tende a desaparecer, o que vemos na fotografia.
Todo mundo sabe que, na mecânica dos fluidos, os fenômenos de expansão não ocorrem da mesma forma que os fenômenos de recompressão (ou compressão). Quando a pressão começa a crescer, a parede da bolha se comporta como um pistão esférico atuando sobre um gás, em competição com o vapor d'água. Se a velocidade de implosão da bolha for superior à velocidade do som na massa de vapor (e é), então uma onda de choque esférica se formará, convergindo para o centro geométrico do objeto, levando consigo uma energia significativa, suficiente para criar essas "picadas" no metal da pá e, no final, causar danos tão graves quanto os que vimos nas lâminas da bomba, acima.
Explicação dos danos relacionados ao fenômeno de cavitação.
Conhecem-se os sistemas chamados "de carga oca". Nesses sistemas, um explosivo é detonado sobre toda a superfície de uma parede cônica (usando um material detonante com velocidade de propagação muito alta). A superfície do cone emite então uma onda de choque muito intensa, cuja energia se concentra ao longo do eixo do sistema. Forma-se então um "dardo", capaz de perfurar um blindagem de aço com espessura da ordem do diâmetro do cone (mas o dardo cria um orifício de diâmetro muito menor). A implosão da bolha evoca, como me fez notar Christophe Tardy, a focalização da energia transportada por uma onda de choque esférica. Se projetássemos cargas ocas construídas em torno de uma cavidade não cônica, mas esférica, poderíamos concentrar no centro dessa esfera, no ponto de focalização, uma energia muito intensa. É exatamente o que acontece com a cavitação.
Como dissemos, o fenômeno de cavitação foi descoberto em 1917. Em 1930, foi possível produzir ultrassons com intensidade suficiente. Um novo fenômeno surgiu em 1934 na Universidade de Colônia, que desconcertou profundamente os físicos. Quando um líquido, como a água, era submetido a ultrassons, o fluido emitia luz... Chamaram esse fenômeno de sonoluminescência.