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Turbulência: é pra ter medo ou não afinal?

Turbulência é um termo conhecido para todas as pessoas que já viajaram de avião. A sensação de estar suspenso no ar sendo chacoalhado que nem um coquetel não é das melhores do mundo. Filmes como Turbulência (1997) [1] não ajudam a diminuir o medo que as pessoas sentem ao voar de avião, apesar destes serem considerados o meio de transporte mais seguro do mundo [2]. Mas você já parou pra pensar no que causa a turbulência? E se ela é realmente tão assustadora quanto parece?

When I meet God, I am going to ask him two questions: Why relativity? And why turbulence? I really believe he will have an answer to the first.” (Werner Heisenberg)

“Quando eu encontrar com Deus, eu vou fazer duas perguntas para ele: Por que relatividade? E por que turbulência? Eu realmente acredito que ele vai ter uma resposta para a primeira.” (Werner Heisenberg, em tradução livre)

Esta citação, atribuída ao físico alemão que derivou o princípio da incerteza Werner Heisenberg, ilustra a frustração dos cientistas ao lidar com o conceito de turbulência [3]. Apesar dele ter vivido entre os anos de 1901 e 1976, e desenvolvido seus trabalhos nas décadas de 20 e 30, a turbulência era e continua sendo um dos maiores mistérios da ciência. Vale ressaltar que a turbulência é importante para qualquer tipo de fluido, não apenas para aviões e transportes aéreos. Ela é tão relevante para a circulação sanguínea, transportando nutrientes e oxigênio pelo nosso corpo, quanto para o oceano, onde vivem milhões de criaturas de diferentes tamanhos e formas, que contribuem para o aspecto turbulento das águas marítimas a todo momento.

A estrutura mais importante presente em fluidos turbulentos é conhecida como vórtex. Vórtices são semelhantes a redemoinhos, e são fundamentais em fluidos em regime turbulento pois podem conter grandes quantidades de energia. Um dos grandes mistérios do estudo de fluidos turbulentos é como a energia desses vórtices é dissipada. Observe os padrões geométricos presentes nas seguintes fotografias:

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Campos de gelo no oceano fotografados de um avião. Crédito da foto: Daniel Schwen  [4]

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Vórtex gerado na ponta da asa de um avião. Créditos: NASA Langley Research Center.  Link. [5]

Nas imagens acima podemos ver vórtices em duas situações diferentes: em padrões formados pelo gelo no oceanoe um vórtex gerado na ponta da asa de um avião. Acredita-se que o transporte de energia em vórtices funcione como uma “cascata”: os vórtices maiores quebram em vórtices menores e menores, até chegar a níveis bem pequenos (chamados de escala de Kolmogorov), nos quais  a viscosidade começa a ser relevante para o fluido, e a energia pode finalmente ser transformada e dissipada em forma de calor.

O quadro de Vincent Van Gogh “A Noite Estrelada” [6] é um exemplo da existência da turbulência na arte. Em 2004, cientistas observaram padrões de redemoinhos em nuvens de poeira e gás em torno de uma estrela através do telescópio Hubble que lembravam os padrões desenhados por Van Gogh. Estudos mais aprofundados da luminância nas pinturas de Van Gogh demonstraram padrões de turbulência descritos pelas teorias desenvolvidas na década de 1940 pelo matemático e físico russo Andrei Kolmogorov em várias obras do artista [7].

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Quadro “A Noite Estrelada”, de Vincent Van Gogh

As equações que descrevem o movimento de fluidos, incluindo os fluidos turbulentos, foram derivadas no século 19, e são conhecidas como Equações de Navier-Stokes [8]. Devido a sua complexidade, uma série de suposições devem ser feitas para simplificá-las e torná-las utilizáveis por cientistas e engenheiros de fluidos. O problema é que essas suposições simplificam e idealizam a estrutura do fluido a ser modelado, então o produto final não representa exatamente um fluido real.

Um grupo de pesquisa em Engenharia Aeronáutica da Universidade Politécnica de Madrid publicou em agosto deste ano na revista Science [9] resultados de simulações que indicam que seja possível descrever completamente o comportamento de um fluido turbulento em modelos computacionais. Estas simulações são capazes de modelar a transferência de energia do fluido em um minuto desde um vórtex de um metro de diâmetro até pequenos vórtices de 12 centímetros de diâmetro, ilustrando a cascata de energia. Estes resultados comprovam a validade da teoria formulada por Kolmogorov e abrem novas possibilidades no estudo da física de fluidos turbulentos. Espera-se que grandes avanços sejam possíveis no estudo destes fluidos a partir desta pesquisa.

Em resumo, sim, a turbulência é assustadora. Não pelo que nós estamos acostumados (alerta de spoiler: um avião não cai por causa de uma turbulência), mas sim por ser um fenômeno extremamente complexo e ainda não completamente compreendido. Mas na próxima vez que você estiver voando de avião, pode ficar tranquilo e falar para a pessoa sentada do seu lado não ter medo também: a turbulência é nossa amiga.

 

Referências:

[1] http://www.imdb.com/title/tt0120390/

[2] http://www.aerodinamica.com.br/PORTUGUES/seguro.html

[3] https://www.inspiringquotes.us/author/3797-werner-heisenberg

[4] https://icyseas.org/tag/turbulence/

[5] http://howthingsfly.si.edu/media/wing-tip-vortex

[6] https://pt.wikipedia.org/wiki/A_Noite_Estrelada

[7] https://www.brainpickings.org/2014/11/13/van-gogh-starry-night-fluid-dynamics-animation/

[8] Stokes. G. G. (1845): trans. Camb. Phil. Soc., vol 8, pp287-305

[9] Cardesa, J. I., Vela-Martín, A., and Jiménez, J. (2017): “The turbulent cascade in five dimensions,” Science, vol. 357 , p. 782 LP-784. (http://www.nature.com/news/mysteries-of-turbulence-unravelled-1.22474?WT.mc_id=FBK_NatureNews&sf109168008=1)

 

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Luz superfluida: conheça e entenda porque ela pode mudar os meios de comunicação

Super Duper Luz! É que nem a música: a luz sai transbordando (de amor) por aí!

 

Se você já leu algum dos meus textos deve ter notado que eu gosto muito de assuntos super maneiros! E hoje, para variar um pouco, vou te contar sobre outra coisa… também super!

Superfluidez é show! Mas vamos revisar umas paradas antes…

Primeiramente, fora temer! vamos lembrar que existem quatro estados da matéria: sólido, líquido, gasoso e plasma. Na definição básica, fluido é toda a substância que se deforma continuamente quando a gente aplica tensão. Por exemplo, fluidos tomam a forma do recipiente que os contêm. A água toma a forma do copo ou da jarra; o ar preenche todo o espaço disponível para ele, seja uma caixinha ou uma sala. Sendo assim, 3 dos 4 estados da matéria podem ser fluidos e são eles os estados líquido, gasoso e plasma. Beleza? Beleza, então!

E viscosidade? A gente mede a viscosidade de um fluido para saber o quanto ele se deforma quando uma tensão é aplicada sobre ele. Vou te fazer outra pergunta. Quem é mais espesso: água ou mel? Aí você me responde: Mel é bem mais espesso que água, mais grosso. É isso! Um que fluido é mais viscoso, mais espesso que outro, precisa que a gente aplique mais tensão (força!) para ele escorrer. Você faz menos força para tirar o ketchup do pote quando põe um cadinho de água lá dentro pra diminuir a viscosidade. Ahá! Sim, você mistura água para alterar a viscosidade do ketchup! Segundo parágrafo e a sua experiência colocando ketchup no hambúrguer nunca mais será a mesma!

Bom, recapitulando. Fluidos podem ser líquidos, gasosos ou plasmas. Viscosidade é o quanto de tensão (força!) um fluido precisa para se mover sobre uma superfície.

Agora, sim! Superfluidez, minha gente!

Em condições extremamente especiais um fluido pode se comportar como se tivesse perdido TODA a viscosidade! Sem paradas, sem barreiras! Transbordando muro afora! E isso é legal porque se um fluido perde a viscosidade, ele não perde energia por conta do movimento (energia cinética). Então, imagina água escorrendo rio adentro sem perder velocidade, tão rápida quanto quando caiu da cachoeira, não importando se tem pedras no caminho ou nada. Ela fluiria perfeita, sem fazer uma ondinha sequer, nem nas bordas! Imaginou? Assustador, né? Ainda bem que água não é o tipo de fluido que pode fazer isso.

Mas, na década de 1930, cientistas descobriram que o hélio líquido apresenta esse comportamento sinistro quando sua temperatura está próxima de -273 graus Celsius, o famoso zero absoluto! Nesse caso, o hélio líquido transborda todo o recipiente, não existe barreira para ele, não tem frasco que o detenha! A essa fase especial da matéria deram o nome de superfluidez. E haja condição especial para isso acontecer, não é mesmo?

Isso acontece porque, quando a temperatura do hélio líquido fica próxima do zero absoluto, as características quânticas de cada um dos seus átomos começam a sobrepor umas às outras, como se elas fossem se somando. E o conjunto de átomos, agora todos com a mesma energia, passam a agir como se fossem um único átomo, como se fosse formassem um fluido de uma partícula só. Cientistas chamam esse efeito de condensado de Bose-Einstein: todas as partículas de um fluido ficam presas no mesmo estado fundamental, que é o estado de energia mais baixa daquele sistema.

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O Bose. O Einstein. BAM! Condensado! #sqn

Luz pode se comportar como onda, partícula E fluido!

Nessa época de 1930 a galera imaginava que a luz também pudesse ter estado superfluido, sem viscosidade nenhuma. Mas não conseguiram provar muita coisa.

Só em 2010, Patricio Leboeuf e Simon Moulieras conseguiram mostrar (nesse artigo) que, se a temperatura for muito próxima do zero absoluto, a luz pode apresentar estado de superfluidez quando propagada num meio não linear. (Vamos simplificar a vida e dizer que meio não linear é um meio cheio de imperfeições. O tamanho das imperfeições é da mesma ordem do objeto que atravessa o tal meio. No nosso caso o objeto é a luz e o tamanho é o comprimento de onda dela. Lembra que a luz tem diferentes frequências? Rádio, luz visível, raio-x, etc são frequências e cada uma tem seu comprimento de onda.)

Semana passada, um pessoal da França e do Canadá publicaram um artigo na Nature mostrando que *música de suspense* a luz pode apresentar estado de superfluidez a temperatura ambiente!!! Uau, né não?

Pensa que toda a informação transmitida (toda, toda mesmo) é transmitida na forma de luz (na maioria das vezes em frequências que não podemos ver, mas ainda sim é luz). Agora, pensa o quão maravilhoso seria a informação ser transmitida sem perder energia por conta de impurezas, ignorando o nozinho na fibra ótica ou os grãos de poeira do caminho. Foi isso que esse pessoal descobriu que é possível: luz passando pelos fios e cabos como se nada pudesse pará-la ou mudar a informação contida nela. Tudo isso acontecendo em temperatura ambiente, sem necessidade de -273 (loucos) graus Celsius!

Ok! Na verdade, na verdade o que eles mostraram é que isso é possível. No experimento, o pessoal do Canadá colocou um filme orgânico ultra fino entre dois espelhos super refletores. E quando a luz passava pelo filme, refletindo de um lado para outro por causa dos espelhos, eles obtiveram um fluido híbrido composto de matéria (do filme) e luz. Essas partículas híbridas têm o nome (engraçado) de excítons.

Essa imagem é do trabalho do pessoal do Canadá. Você está vendo uma representação do que acontece quando excítons encontram um obstáculo no regime supersônico (acima) e no regime superfluido (abaixo). Crédito: Polytechnique Montréal.

E dá-lhe de trabalho para fazer daqui por diante! Porque o mais importante era conseguir provar que era possível. Nos próximos anos vai ter gente investigando superfluidez à temperatura ambiente para outros tipos de partículas híbridas (sim, existem outras!). Outros grupos vão procurar à temperatura ambiente mas com a luz passando por meio não lineares, completando o trabalho do Simon e do Patricio. Muito mais coisa que eu nem sei vai vir por aí. Mas uma coisa é certa: luz superfluida estará um dia modificando nossos meios de comunicação. E, com sorte, a gente vai ver acontecendo.

 

Referências:

Physicists show that superfluid light is possible”. Phys Org. 2010.

A stream of superfluid light”.Science Daily. 2017.