Nas escalas mais pequenas, os materiais comuns comportam-se de formas que parecem desafiar as leis da física. Mas estas aparentes contradições reflectem os mínimos detalhes que ainda não descobrimos na natureza – como demonstrado por uma nova descoberta que mostra como os sólidos podem suportar formas semelhantes a ondas que normalmente vemos arrastando-se atrás de barcos na água.
Em um recente Cartas de revisão física No estudo, pesquisadores de Harvard descrevem como é possível criar esteiras constantes em forma de V que ondulam nas superfícies de materiais elásticos e ultramacios, como géis ou tecido biológico. Com base em experimentos de laboratório, a equipe desenvolveu um modelo teórico para explicar esse comportamento, unindo duas teorias clássicas da física de ondas superficiais de fluidos e sólidos. Esta perspectiva renovada sobre a física dos sólidos abre novos caminhos para a concepção de materiais macios naturais e de engenharia, especialmente para fins médicos.
Acorda, ondas
As últimas descobertas destacam uma ligação anteriormente negligenciada entre os padrões de esteira de Kelvin e as ondas de Raleigh, conhecidas por aparecerem em fluidos e sólidos, respectivamente. Ambos aparecem em contextos muito familiares.
Kelvin acordaexplicadas pela primeira vez pelo matemático escocês de mesmo nome, são as ondulações em forma de V que se formam atrás de barcos ou aves aquáticas que deslizam pela água. Ondas de Raleighpor outro lado, referem-se a movimentos flutuantes na superfície dos sólidos, como as ondas sísmicas produzidas por terremotos.
Os físicos presumiram anteriormente que os dois eram fenômenos fundamentalmente diferentes, de acordo com um estudo de Harvard declaração sobre as descobertas. No entanto, a equipe por trás do novo estudo questionou se as coisas aconteceriam de forma diferente para os sólidos elásticos macios, que têm uma “interação delicada entre inércia, elasticidade, gravidade e capilaridade” distinta que poderia potencialmente imitar as propriedades físicas de sólidos e líquidos, de acordo com o artigo.
“Eu suspeitava que deveria haver uma maneira natural de interpolar suavemente entre o comportamento das ondas de superfície em sólidos e fluidos”, disse L. Mahadevan, autor sênior do estudo e matemático aplicado, no comunicado, “parcialmente inspirado pela observação do movimento do barco ao longo do Charles, por onde caminho quase todos os dias”.
Testando a ponte
Mahadevan e colegas montaram primeiro um grande tanque cheio de hidrogel ultramacio, usando um bico de ar fino como fonte de pressão. A equipe então registrou quaisquer mudanças perceptíveis na superfície do hidrogel, traçando o ângulo das perturbações em forma de V em relação a outras métricas, como a velocidade da fonte de pressão.
Os investigadores descobriram que o ângulo da esteira depende da rapidez com que a perturbação se move em relação à rapidez com que as ondas viajam através do material, que é moldado pela sua suavidade. O ângulo da esteira é mais estreito com perturbações mais rápidas e materiais mais macios, relatou o jornal.
Codificado em ondulações
É importante ressaltar que esta nova relação “transforma o rastro em um sinal de diagnóstico natural”, explicaram os pesquisadores. Ao observar como as ondas se propagam através da superfície de um sólido macio, os pesquisadores podem inferir as propriedades do sólido sem pressioná-lo ou cortá-lo. Isto tem implicações reais para contextos médicos. Por exemplo, os médicos medem a rigidez do tecido para determinar se os pacientes têm tumores, o que poderia informar formas relativamente não invasivas de testar anomalias críticas de saúde, disse a equipe.
Mais uma vez, as descobertas são inerentemente fascinantes, pois demonstram que, na física, mesmo as teorias mais sólidas e aparentemente independentes da física podem ter ligações inesperadas.
“Grande parte do nosso trabalho reflete um instinto científico mais amplo: procurar o sublime e o misterioso, escondido no mundano”, disse Mahadevan. “Este é mais um exemplo de como o mundo cotidiano está cheio de maravilhas, se apenas decidirmos ver com atenção.”
