Cómo las gotas de agua logran erosionar las rocas

Componen el equipo internacional el doctor en Física y académico de la UOH, Pablo Gutiérrez; Franco Álvarez, estudiante de Ingeniería Física Usach; Klebbert Andrade, ingeniero físico Usach; y Ting-Pi Sun, doctor en Ingeniería Química de la U. de Minnesota.

En el laboratorio, los autores vienen estudiando durante años el impacto de las gotas de agua, desde los cráteres que las gotas de lluvia crean en la arena, hasta cuán fuerte estas golpean.

Su último avance fue un método para medir, en detalle, las fuerzas de impacto de gotas individuales, lo que fue parte de la tesis de doctorado de Ting-Pi Sun, bajo la guía de Xiang Cheng, en Minnesota.

Para los científicos, era conocido que el goteo constante puede terminar erosionando superficies. Lo que no sabían era por qué algo aparentemente suave y fluido puede tener un efecto acumulado tan grande en las superficies duras.

Con esta interrogante, desarrollaron una técnica llamada microscopía de estrés de alta velocidad para medir cantidades ocultas como la tensión de cizalle y la presión que genera el impacto de las gotas líquidas sobre las superficies.

Hasta ahora, el impacto de las gotas sólo se había analizado visualmente por medio de cámaras de alta velocidad.

¿Qué se observa?

Con esta nueva técnica, los investigadores descubrieron que la presión que ejerce una gota no concentra su máximo en el punto central del impacto, sino que la máxima presión se irradia en forma de anillos. Asimismo, la velocidad a la que los anillos se propagan, supera la velocidad del sonido por un lapso de tiempo, creando una onda de choque en la superficie del material impactado.

Cada gota se comporta como una pequeña bomba, liberando su energía de impacto de forma explosiva e imprimiendo la fuerza necesaria para erosionar las superficies con el paso del tiempo

“En el impacto, las partículas de agua que están en el punto más bajo de la gota quedan atrapadas entre las partículas de agua que vienen arriba, que siguen cayendo con su velocidad original, y el sólido estático de abajo”, explicó el Dr. Gordillo.

Por ello, agregó, las partículas instaladas en el punto más bajo de la gota, intentarán escapar hacia los costados rápidamente. “Por ser un fluido, incompresible además, el agua tiene que escapar, y durante los primeros instantes del impacto, esto ocurre a una muy alta velocidad”, destaca.

En ese sentido, el académico reveló que se produce algo similar a los aviones supersónicos, ya que cuando estas aeronaves aumentan su velocidad lo suficiente y sobrepasan la barrera del sonido, ocurre un boom sónico.

“En el caso de las gotas, al principio los anillos viajan a una velocidad mayor a la de las ondas de superficie del material acumulando energía, pero se desaceleran y son alcanzadas por las ondas, lo que hace que esa energía acumulada se escape rápidamente”, detalló el académico.

Cada gota se comporta como una pequeña bomba, liberando su energía de impacto de forma explosiva e imprimiendo la fuerza necesaria para erosionar las superficies con el paso del tiempo.Por lo anterior es que los investigadores sostienen que las gotas actúan como mini bombas. “Las gotas producen una onda de choque, con muy altas presiones y cizalles, y luego tienes esta otra onda del material que viene detrás, que mientras la va alcanzando va acumulando energía, hasta que en un instante la sobrepasa y escapa”, señaló el Dr. Gordillo.

Agua blanda

La primera imagen del artículo es una medida de erosión que se realizó en Chile, donde se dejaron caer 2.500 gotas de agua sobre yeso para observar su eficiencia al erosionar un material duro.

Se repitió la medida con bolitas de acero y el hallazgo fue que las esferas sólidas no tienen la capacidad erosiva que sí tienen las gotitas de agua.

“Es evidente, que con una sola gota de agua no es posible erosionar la roca. Se necesita un gran número de ellas. Lo que no es nada evidente es el hecho de que se necesite agua, blanda o fluida, para hacerlo”, afirma el investigador.

El Dr. Gordillo lo plantea de otra forma. “Cuando un objeto duro cae, hace un pequeño agujero. Con cada golpe comprime el material, no lo saca, sólo lo aplasta. A medida que se comprime, el material, se hace más y más resistente, y después de muchos golpes, el cráter no crece y el impacto no saca el material. En cambio, el agua, con sus fuerzas de cizalle, esto es el mecanismo que hemos descubierto, lo remueve y crea un cráter considerablemente grande”, subrayó.

Sus aplicaciones

Con este descubrimiento, los ingenieros podrían diseñar superficies más resistentes a la erosión para aplicaciones que deben soportar los elementos exteriores.

Ahora, el objetivo de los investigadores será estudiar si es posible reducir o aumentar la cantidad de esfuerzo cortante de las gotas, lo que permitiría diseñar superficies especiales que puedan mitigar el estrés, o favorecerlo, por ejemplo para facilitar su limpieza.

El artículo fue publicado en Nature Communications, una revista científica revisada por pares y de acceso abierto perteneciente a Nature Research.

Tras sólo 10 días de difusión, ha suscitado un gran interés de la comunidad científica y general, ubicándolo en el 1% de las publicaciones más populares. Además ha sido ampliamente cubierto por medios internacionales.

	Referencia
Sun, T. P., Álvarez-Novoa, F., Andrade, K., Gutiérrez, P., Gordillo, L., & Cheng, X. (2022). Stress distribution and surface shock wave of drop impact. Nature Communications, 13(1), 1-8. https://www.nature.com/articles/s41467-022-29345-x