Vídeos de alta velocidad muestran qué sucede cuando una gota de lluvia impacta sobre una piscina
¿Cómo puede una simple gota de lluvia desencadenar la dispersión de partículas, agentes patógenos y pesticidas en el aire? Científicos del MIT revelan los secretos ocultos en cada salpicadura, capturados a 12.500 fotogramas por segundo.
Por Jennifer Chu / MIT News
Los ingenieros del MIT han grabado vídeos de alta velocidad de gotas que chocan y salpican sobre una piscina profunda, para seguir la evolución del fluido, fotograma a fotograma, durante milisegundos. Cortesía: Autores del estudio / MIT
La lluvia puede caer libremente a velocidades de hasta 40 kilómetros por hora. Cuando las gotas de agua aterrizan en un charco o una piscina, pueden generar una salpicadura en forma de corona que, con suficiente fuerza, desprende partículas superficiales y las lanza por los aires.
Recientemente, científicos del MIT, en Estados Unidos, grabaron vídeos de alta velocidad de gotas que impactan y salpican en un charco profundo, para luego analizar la evolución del fluido, fotograma a fotograma, en milisegundos. Este estudio podría ayudar a predecir cómo las gotas de lluvia y de los sistemas de riego impactan en superficies acuosas, y cómo generan aerosoles de partículas, como polen y pesticidas en la escorrentía agrícola.
El equipo realizó experimentos dispensando gotas de diferentes tamaños desde diversas alturas en un charco de agua. Gracias a las imágenes de alta velocidad, midieron cómo el charco líquido se deformaba al impacto.
Dinámica de las salpicaduras de gotas de agua
Los científicos observaron que, al golpear la superficie, la gota de agua empuja el líquido hacia abajo, lo que crea un cráter subacuático, mientras una pared de líquido se eleva para formar una corona. Curiosamente, unas pequeñas gotas secundarias son expulsadas antes de que la corona alcance su altura máxima, un proceso que ocurre en una fracción de segundo.
En el pasado, se capturaron instantáneas icónicas como la famosa Milk Drop Coronet, una imagen de una gota de leche captada por Harold «Doc» Edgerton, inventor de técnicas para fotografiar objetos en rápido movimiento. Sin embargo, este nuevo trabajo representa la primera vez que se utilizan imágenes de alta velocidad para modelizar la dinámica completa de una gota de agua que salpica en un estanque profundo para analizar lo que sucede tanto sobre la superficie como debajo de esta.
La famosa Milk Drop Coronet, una imagen de una gota de leche captada por Harold «Doc» Edgerton, inventor de técnicas para fotografiar objetos en rápido movimiento. Cortesía: Harold «Doc» Edgerto / MIT
La grabación en vídeo del impacto de las gotas
«Los impactos de gotas en capas líquidas son omnipresentes —afirma Lydia Bourouiba, autora del estudio y profesora del MIT. Y añade—: Estos impactos generan gotas secundarias que pueden actuar como portadoras de agentes patógenos, microbios y partículas contaminantes presentes en masas de agua contaminadas».
Bourouiba dirige el Laboratorio de Dinámica de Fluidos de la Transmisión de Enfermedades en el MIT, donde exploran la física fundamental de los fluidos y su relación con la transmisión de enfermedades. El nuevo estudio busca entender cómo las gotas de lluvia pueden propagar partículas químicas y agentes patógenos a través del aire.
El equipo consideró una piscina profunda como aquella masa de agua retenida con al menos 20 centímetros de profundidad, suficiente para que una gota de agua que salpica no alcance el fondo. Las gotas, con un diámetro promedio de 5 milímetros, se lanzaron desde distintas alturas y alcanzaron velocidades de hasta 5 metros por segundo, similares a las de las gotas de una tormenta normal.
Mediante técnicas de imagen de alta velocidad, los investigadores grabaron vídeos a 12.500 fotogramas por segundo, lo que les permitió medir características clave de la salpicadura de las gotas de agua, como el diámetro y altura de la corona ascendente y el perfil del grosor de la pared de la corona.
«Esta pared cilíndrica de líquido ascendente, y cómo evoluciona en el tiempo y el espacio, es el núcleo de todo», afirma Lydia Bourouiba. El GIF se ha reducido a 5 fotogramas por segundo. Cortesía: Autores del estudio / MIT
Desarrollo de un modelo matemático predictivo
Los datos recopilados permitieron crear un modelo matemático que describe cómo las propiedades de una gota, como el diámetro del cráter y la velocidad de la pared de la corona, evolucionan en el tiempo.
Este modelo abre la posibilidad de estudiar el comportamiento tridimensional de las salpicaduras y cómo estas dispersan partículas contaminantes, caso de los pesticidas y los agentes patógenos.
«Ahora contamos con una expresión matemática de forma cerrada para analizar la dinámica de las gotas en el tiempo y el espacio», explica el coautor Naijian Shen, quien junto a Bourouiba, planea aplicar el modelo para comprender cómo las gotas secundarias contribuyen a la dispersión de partículas en el aire. ▪️
Artículo publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías
Fuente: Dandekar R., Shen N., Naar B., Bourouiba L. Splash on a liquid pool: coupled cavity–sheet unsteady dynamics. Journal of Fluid Mechanics. DOI: 10.1017/jfm.2024.1105
