La edad de oro de la hidrodinámica
El año de la aparición de la hidrodinámica como ciencia puede considerarse 1628, cuando se publicó un pequeño trabajo de Benedetto Castelli. En él, a pesar de los supuestos erróneos iniciales, durante algún tiempo explicó con bastante precisión varios fenómenos durante el movimiento de líquidos en ríos y canales. Sin embargo, incluso antes de esto, hubo intentos de estudiar la resistencia del medio al movimiento corporal por científicos tan famosos como Leonardo da Vinci y Galileo Galilei. Posteriormente, Newton, Euler, Torricelli, Bernoulli, D'Alembert y muchos otros hicieron una gran contribución al desarrollo de la hidrodinámica.
La ciencia moderna se está desarrollando exponencialmente. Esto se debe a que los logros en un área proporcionan material para crear las últimas herramientas utilizadas para la investigación en otras áreas. Por lo tanto, será justo decir que ha llegado una verdadera "edad de oro" para la hidrodinámica. Al mismo tiempo, el enfoque de la investigación ha cambiado. Hoy en día, los métodos para obtener datos experimentales han mejorado significativamente. Si antes se construía una teoría y luego se confirmaba o refutaba mediante un experimento, hoy la teoría se basa en un complejo de mediciones de alta precisión.
Para estudiar los flujos de fluido laminar y turbulento, el Instituto Max Planck ahora usa una cámara que produce hasta 1 millón de cuadros por segundo. La cámara anterior era 500 veces más lenta y tomaba 2000 cuadros por segundo. Al estudiar el flujo turbulento con cámaras, se pueden rastrear miles de partículas. Sus trayectorias y velocidad de movimiento se convierten en matrices de datos, que luego son procesadas por una poderosa tecnología informática. Esto le permite construir modelos numéricos de los procesos y comprender mejor la naturaleza de fenómenos como, por ejemplo, la turbulencia.
Estudiar el proceso de formación de gotas en las nubes puede mejorar significativamente la precisión del pronóstico del tiempo. Para este propósito, se creó un laboratorio de la estación de investigación ambiental alemana en el Monte Zugspitze (2,962 m / 9,718 pies). A lo largo de la vía férrea de 7 metros, se instalan 4 cámaras de alta velocidad. Cuando las nubes las atraviesan, las cámaras permiten estudiar en minutos los procesos que ocurren en el volumen de varios centímetros cúbicos. Los investigadores están observando cómo el polvo fino de agua bajo la influencia de la turbulencia se combina en gotas más grandes.
En otras palabras, están estudiando el origen de la lluvia. Pero los científicos no tienen la intención de detenerse en las capacidades existentes y ya están diseñando la entrega de cámaras de alta velocidad a las nubes utilizando un híbrido de una cometa y un globo.
Cuán diversas son las esferas de aplicación de la hidrodinámica se pueden juzgar por sus secciones principales:
- Ambiente ideal : esta sección estudia el comportamiento de un fluido ideal, en el que la descripción puede descuidar la fricción interna, la conductividad térmica y los esfuerzos cortantes.
- Hidrodinámica de flujos laminares : estudia el movimiento de flujos uniformes sin pulsaciones y mezcla de capas.
- La turbulencia es un proceso muy difícil de modelar. La turbulencia ocurre con una fuerte desviación de presión, velocidad, temperatura, densidad de algunos valores promedio. Por ejemplo, en la zona de surf, una ola incidente se mezcla con el aire para formar una espuma. A menudo, los pasajeros de las aeronaves sienten vibraciones cuando una aeronave ingresa a una zona de turbulencia. También podemos observar el fenómeno de la turbulencia en agua hirviendo. Esta es una sección muy importante, sin la cual no se construirá una sola tubería.
- La hidrodinámica supersónica es una sección específica que estudia el comportamiento de los flujos a velocidades cercanas o superiores a la velocidad del sonido. La característica principal del comportamiento de tales flujos es la aparición de ondas de choque.
- Transferencia de calor y masa : estudia el comportamiento complejo de líquidos con una distribución de temperatura desigual. En este caso, las propiedades del medio, como la densidad, la viscosidad y la conductividad térmica, pueden cambiar localmente.
- Hidrodinámica geofísica : estudia los fenómenos naturales a escala planetaria. Esto incluye el movimiento de corrientes de aire, corrientes marinas y oceánicas, circulación en el núcleo líquido y mucho más.
- Hidrodinámica magnética : describe el movimiento de un fluido eléctricamente conductor en un campo magnético. Además, esta sección estudia los fenómenos de la física espacial: destellos cromosféricos en el sol, el origen de los campos magnéticos de las galaxias, las manchas solares.
- Reología : estudia el movimiento de fluidos no lineales, que incluyen geles, pastas, pseudoplásticos, viscoelásticos. La reología se usa ampliamente en la ciencia de materiales y en el estudio de procesos geofísicos.
- Hidrodinámica aplicada : trabaja con problemas científicos y técnicos específicos.
El desarrollo de la impresión por chorro de tinta.
Una de las áreas de la hidrodinámica aplicada es la impresión por inyección de tinta. Océ lleva más de 15 años colaborando en esta área con el Instituto Max Planck. Un grupo de científicos dirigido por el profesor Detlef Lohse está estudiando los procesos que rodean la impresión de inyección de tinta para determinar la velocidad máxima de impresión. Es decir, la definición del límite cuando la inyección de tinta de los inyectores del cabezal de impresión y las gotas de fijación en el medio se volverán inestables.
Al mismo tiempo, se están desarrollando formas de maximizar el apoyo al régimen de estabilidad.
La impresión de inyección de tinta moderna utiliza dos tecnologías de inyección de tinta. En un caso, el papel del pistón, al empujar una gota de tinta de la boquilla del cabezal de impresión, lo desempeña una placa piezoeléctrica y, en el otro, una burbuja de vapor. Canon es el único fabricante en el mundo que fabrica equipos de inyección de tinta utilizando ambas tecnologías. Al mismo tiempo, la división Océ se especializa en la producción de impresoras con cabezales de impresión piezoacústicos.
Océ dio los primeros pasos en el desarrollo de su propia tecnología de inyección de tinta a principios de los años 90 del siglo pasado. La compañía apreció el enorme potencial de la tecnología de inyección de tinta. A diferencia de otros tipos de impresión, hay menos piezas giratorias. Esto significa que con la reducción de piezas, se reduce el costo inicial del equipo y se reduce el tiempo de inactividad por mantenimiento. Por lo tanto, para crear nuestra propia tecnología única de inyección de tinta, era necesario comprender los procesos dinámicos de los hidrocarburos. Fue entonces cuando las asociaciones comenzaron a tomar forma con el Instituto Max Planck en Gotinga (Alemania) y la Universidad de Twente (Países Bajos).
Los investigadores enfrentaron muchos problemas interesantes que requerían una solución integral. Era necesario tener en cuenta las propiedades fisicoquímicas y ópticas de la tinta, el modo de inyección de las gotas, el suministro de tinta al cabezal y la velocidad de alimentación del medio impreso. Cambiar solo una característica implicaba un ajuste y el resto.
Con las similitudes externas entre las tecnologías piezoeléctricas y de chorro de burbujas, tienen serias diferencias, tanto en los procesos como en las capacidades. La tecnología de burbujas utiliza tintas a base de solvente o agua. El principio de funcionamiento de dicha impresión es que en cada celda de impresión hay un elemento de microcalentamiento. Cuando se aplica un impulso eléctrico, el elemento se calienta y las capas de tinta adyacentes hierven. En este caso, se forma bruscamente una burbuja de vapor. Él, a su vez, realiza la función de una especie de "pistón", empujando una porción de tinta de la boquilla. Aquí, todos los fenómenos de la dinámica de los hidrocarburos se manifiestan completamente.
En la tecnología piezoeléctrica, el papel del "empujador" lo desempeña la placa piezoeléctrica. Cambia su geometría bajo la influencia de impulsos eléctricos. Debido a esto, se inyecta una gota de tinta desde la boquilla. Al modular la señal suministrada a la placa piezoeléctrica, es posible establecer el volumen de caída con alta precisión. Esto ofrece muchas ventajas de la tecnología de impresión piezoacústica:
- La dosificación precisa optimiza el consumo de tinta;
- Proporciona una reproducción precisa del color en todas las impresiones;
- Posibilidad de utilizar tintas sin solventes (tinta UV, sólida), que cristalizan instantáneamente en el medio y no requieren secado;
- Como consecuencia del párrafo anterior, la reducción del consumo de energía y la capacidad de imprimir en medios críticos para el calor;
- Alta velocidad de impresión impresiones indelebles y resistentes al desgaste;
- Debido a la cristalización instantánea de la tinta, se pueden usar tipos de papel económicos como soporte, ya que la gota se fija en la superficie del soporte sin ser absorbida por este.
La investigación en el campo de la hidrodinámica de las tecnologías de inyección de tinta no se limita a los problemas de impresión. La tecnología moderna le permite imprimir en varios medios y utilizar muchas composiciones de impresión. Así que ya domina la impresión en vidrio, madera, metal, plástico. Hace relativamente poco tiempo, se comenzó a practicar la impresión por volumen, lo que le permite transferir no solo los colores, sino también la textura volumétrica de la superficie. Por lo tanto, es posible imprimir no solo en el material, sino también en el material mismo. Puede encontrar aplicación en chips de impresión o revestimientos de pantalla táctil.
En el límite de la investigación fundamental y aplicada, aparecen nuevas perspectivas que ya no parecen tan fantásticas. Existen similitudes significativas entre las características físicas de la sangre y la tinta. Tienen viscosidad y fluidez similares. Parece, ¿qué tiene esto que ver con la impresión de inyección de tinta? Pero quizás estos son los primeros pasos para imprimir tejido vivo o incluso órganos completos.