Une étude unique en son genre menée par des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities révèle pourquoi les gouttelettes de liquide ont la capacité d’éroder les surfaces dures. Cette découverte pourrait aider les ingénieurs à concevoir de meilleurs matériaux, plus résistants à l’érosion.
Grâce à une technique nouvellement développée, les chercheurs ont pu mesurer des quantités cachées telles que la contrainte de cisaillement et la pression créées par l’impact des gouttelettes de liquide sur les surfaces, un phénomène qui n’a jamais été étudié que visuellement.
Le papier est publié dans Communication Nature.
Les chercheurs étudient l’impact des gouttelettes depuis des années, de la façon dont les gouttes de pluie frappent le sol à la transmission d’agents pathogènes tels que le COVID-19 dans les aérosols. Il est de notoriété publique que les gouttelettes d’eau qui s’écoulent lentement peuvent éroder les surfaces avec le temps. Mais pourquoi quelque chose d’apparemment doux et fluide peut-il avoir un tel impact sur les surfaces dures ?
« Il existe des dictons similaires dans les cultures orientales et occidentales selon lesquels » l’eau goutte à goutte creuse la pierre « », a expliqué Xiang Cheng, auteur principal de l’article et professeur agrégé au Département de génie chimique et des sciences des matériaux de l’Université du Minnesota. « De tels dictons ont pour but d’enseigner une leçon de morale : ‘Soyez persévérant. Même si vous êtes faible, lorsque vous continuez à faire quelque chose en permanence, vous aurez un impact.’ Mais, quand vous avez quelque chose d’aussi doux comme des gouttelettes qui frappent quelque chose d’aussi dur comme des rochers, vous ne pouvez pas vous empêcher de vous demander : « Pourquoi l’impact de la chute cause-t-il des dommages ? » C’est cette question qui a motivé nos recherches. »
Regardez une vidéo montrant au ralenti comment une goutte d’eau impacte une surface sablonneuse. Crédit : Université du Minnesota
Dans le passé, l’impact des gouttelettes n’était analysé que visuellement à l’aide de caméras à grande vitesse. La nouvelle technique des chercheurs de l’Université du Minnesota, appelée microscopie de contrainte à grande vitesse, fournit un moyen plus quantitatif d’étudier ce phénomène en mesurant directement la force, la contrainte et la pression sous les gouttes de liquide lorsqu’elles frappent les surfaces.
Les chercheurs ont découvert que la force exercée par une gouttelette se propage en fait avec la goutte qui l’impacte – au lieu d’être concentrée au centre de la gouttelette – et que la vitesse à laquelle la gouttelette se propage dépasse la vitesse du son à de courts instants, créant un choc. vague à travers la surface. Chaque gouttelette se comporte comme une petite bombe, libérant son énergie d’impact de manière explosive et lui donnant la force nécessaire pour éroder les surfaces au fil du temps.
En plus d’ouvrir une nouvelle façon d’étudier l’impact des gouttelettes, cette recherche pourrait aider les ingénieurs à concevoir des surfaces plus résistantes à l’érosion pour les applications qui doivent résister aux éléments extérieurs. Cheng et son laboratoire de l’Université du Minnesota Twin Cities prévoient déjà d’étendre cette recherche pour étudier comment différentes textures et matériaux modifient la quantité de force créée par les gouttelettes de liquide.
« Par exemple, nous peignons la surface d’un bâtiment ou enduisons les pales d’éoliennes pour protéger les surfaces », a déclaré Cheng. « Mais avec le temps, les gouttelettes de pluie pourraient encore causer des dommages par impact. Ainsi, notre recherche après cet article est de voir si nous pouvons réduire la quantité de contrainte de cisaillement des gouttelettes, ce qui nous permettrait de concevoir des surfaces spéciales qui peuvent atténuer la contrainte. «
En plus de Cheng, l’équipe de recherche comprenait un doctorat en génie chimique de l’Université du Minnesota. étudiant Ting-Pi Sun, Université de Santiago, Chili Professeur adjoint Leonardo Gordillo et étudiants de premier cycle Franco Álvarez-Novoa et Klebbert Andrade, et Université O’Higgins, Chili Professeur adjoint Pablo Gutiérrez.
Répartition des contraintes et onde de choc de surface d’impact de chute, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29345-x