Descobertas científicas nem sempre exigem um laboratório de alta tecnologia ou um orçamento substancial. Muitas pessoas têm um excelente laboratório em casa – a cozinha.
A cozinha oferece diversas oportunidades para observar e explorar o que os físicos chamam de matéria macia e fluidos complexos. Fenômenos cotidianos, como cereais se agrupando no leite ou anéis deixados quando gotas de café evaporam, levaram a descobertas na interseção da física e da química, e a colaborações interessantes entre cientistas de alimentos e físicos.
Dois estudantes, Sam Christianson e Carsen Grote, publicaram um novo estudo que se aprofunda em outra observação feita na cozinha. Estudamos como objetos podem levitar em fluidos carbonatados, um fenômeno que é carinhosamente chamado de uvas-passas dançantes.
O estudo explorou como objetos como uvas-passas podem se mover ritmicamente para cima e para baixo em fluidos carbonatados por vários minutos, até mesmo por uma hora.
Um thread acompanhou a pesquisa e viralizou, acumulando mais de meio milhão de visualizações em apenas dois dias. Por que este experimento em particular capturou a imaginação de tantas pessoas?
Água com gás e outras bebidas carbonatadas borbulham porque contêm mais gás do que o fluido pode suportar – estão “supersaturadas” com gás. Quando você abre uma garrafa de champanhe ou um refrigerante, a pressão do fluido cai e as moléculas de CO₂ começam a escapar para o ar circundante.
Bolhas geralmente não se formam espontaneamente em um fluido. Um fluido é composto por moléculas que gostam de se unir, então as moléculas na fronteira do fluido estão um pouco infelizes. Isso resulta em tensão superficial, uma força que busca reduzir a área superficial. Como as bolhas adicionam área superficial, a tensão superficial e a pressão do fluido normalmente espremem quaisquer bolhas que estejam se formando de volta à inexistência.
No entanto, áreas ásperas na superfície de um recipiente, como os riscos em alguns copos de champanhe, podem proteger novas bolhas dos efeitos esmagadores da tensão superficial, oferecendo-lhes uma chance de se formar e crescer.
As bolhas também se formam dentro das fibras de tecido microscópicas em forma de tubo deixadas para trás após limpar um copo com uma toalha. As bolhas crescem constantemente nessas fibras e, uma vez que estejam grandes o suficiente, se desprendem e flutuam para cima, carregando gás para fora do recipiente.
Mas como muitos entusiastas de champanhe que colocam frutas em copos sabem, riscos na superfície e pequenas fibras de tecido não são os únicos lugares onde as bolhas podem se formar. Adicionar um pequeno objeto como uma uva-passa ou uma amêndoa a uma bebida gaseificada também permite o crescimento de bolhas. Esses objetos imersos atuam como superfícies atraentes para moléculas oportunistas como CO₂ acumularem e formarem bolhas.
E uma vez que bastante bolhas tenham crescido no objeto, um ato de levitação pode ser realizado. Juntas, as bolhas podem levantar o objeto até a superfície do líquido. Uma vez na superfície, as bolhas estouram, fazendo o objeto cair de volta. O processo então recomeça, em um movimento vertical de dança periódica.
As uvas-passas são especialmente boas dançarinas. Leva apenas alguns segundos para que bastantes bolhas se formem na superfície enrugada de uma uva-passa antes que ela comece a subir – as bolhas têm mais dificuldade de se formar em superfícies mais lisas. Quando colocada em água com gás recém-aberta, uma uva-passa pode dançar com vigor por 20 minutos e, em seguida, mais lentamente por mais uma hora aproximadamente.
Descobrimos que a rotação, ou girar, era criticamente importante para persuadir objetos grandes a dançar. Bolhas que se prendem ao fundo de um objeto podem mantê-lo suspenso mesmo depois que as bolhas superiores estouram. Mas se o objeto começar a girar mesmo um pouco, as bolhas por baixo fazem o corpo girar ainda mais rápido, o que resulta em ainda mais bolhas estourando na superfície. E quanto mais cedo essas bolhas forem removidas, mais cedo o objeto pode voltar à sua dança vertical.
Objetos pequenos como uvas-passas não giram tanto quanto objetos maiores, mas em vez disso fazem o movimento de torção, tremendo rapidamente para frente e para trás.
No artigo, desenvolvemos um modelo matemático para prever quantas viagens à superfície esperávamos que um objeto como uma uva-passa fizesse. Em um experimento, colocamos uma esfera impressa em 3D que serviu como uma uva-passa modelo em um copo de água com gás recém-aberta. A esfera viajou do fundo do recipiente para o topo mais de 750 vezes em uma hora.
O modelo incorporou a taxa de crescimento das bolhas, bem como a forma, tamanho e rugosidade da superfície do objeto. Também levou em conta quão rapidamente o fluido perde carbonatação com base na geometria do recipiente, e especialmente no fluxo criado por toda essa atividade borbulhante.
O modelo matemático nos ajudou a determinar quais forças influenciam mais a dança do objeto. Por exemplo, a arrastagem do fluido sobre o objeto acabou sendo relativamente pouco importante, mas a relação entre a área superficial do objeto e seu volume era crítica.
Olhando para o futuro, o modelo também fornece uma maneira de determinar algumas quantidades difíceis de medir usando outras mais facilmente mensuráveis. Por exemplo, apenas observando a frequência de dança de um objeto, podemos aprender muito sobre sua superfície no nível microscópico sem ter que ver esses detalhes diretamente.
Esses resultados não são interessantes apenas para os amantes de bebidas carbonatadas. Fluidos supersaturados também existem na natureza – o magma é um exemplo.
À medida que o magma em um vulcão se aproxima da superfície da Terra, ele despressuriza rapidamente, e os gases dissolvidos de dentro do vulcão fazem uma corrida para a saída, assim como o CO₂ na água carbonatada. Esses gases em fuga podem se transformar em bolhas grandes e de alta pressão e emergir com tanta força que uma erupção vulcânica ocorre.
A matéria particulada no magma pode não dançar da mesma forma que as uvas-passas na água com gás, mas objetos pequenos no magma podem afetar como esses eventos explosivos se desenrolam.
As últimas décadas também viram uma erupção de um tipo diferente – milhares de estudos científicos dedicados à matéria ativa em fluidos. Esses estudos examinam coisas como microorganismos nadadores e o interior de nossas células cheias de fluido.
A maioria desses sistemas ativos não existe na água, mas sim em fluidos biológicos mais complicados que contêm a energia necessária para produzir atividade. Microorganismos absorvem nutrientes do fluido ao seu redor para continuar nadando. Motores moleculares transportam carga ao longo de uma superestrada em nossas células, puxando energia próxima na forma de ATP do ambiente.
Estudar esses sistemas pode ajudar os cientistas a aprender mais sobre como as células e bactérias no corpo humano funcionam, e como a vida neste planeta evoluiu para seu estado atual.
Enquanto isso, um fluido em si pode se comportar de forma estranha por causa de uma composição molecular diversa e corpos se movendo dentro dele. Muitos estudos novos têm abordado o comportamento de microorganismos em fluidos como muco, por exemplo, que se comporta tanto como um fluido viscoso quanto como um gel elástico. Os cientistas ainda têm muito a aprender sobre esses sistemas altamente complexos.
Enquanto as uvas-passas na água com gás parecem bastante simples quando comparadas com microorganismos nadando em fluidos biológicos, elas oferecem uma maneira acessível de estudar características genéricas nesses ambientes mais desafiadores. Em ambos os casos, os corpos extraem energia de seu ambiente fluido complexo enquanto também o afetam, e comportamentos fascinantes ocorrem.
