A Era de Ouro da Hidrodinâmica
O ano do aparecimento da hidrodinâmica como ciência pode ser considerado em 1628, quando foi publicado um pequeno trabalho de Benedetto Castelli. Nele, apesar das suposições errôneas iniciais, por algum tempo ele explicou com bastante precisão vários fenômenos durante o movimento de líquidos em rios e canais. Contudo, mesmo antes disso, houve tentativas de estudar a resistência do movimento do meio ao corpo por cientistas famosos como Leonardo da Vinci e Galileo Galilei. Posteriormente, Newton, Euler, Torricelli, Bernoulli, D'Alembert e muitos outros deram uma grande contribuição ao desenvolvimento da hidrodinâmica.
A ciência moderna está se desenvolvendo exponencialmente. Isso ocorre porque as realizações em uma área fornecem material para a criação das mais recentes ferramentas usadas para pesquisa em outras áreas. Portanto, será justo dizer que uma verdadeira “idade de ouro” chegou para a hidrodinâmica. Ao mesmo tempo, a abordagem da pesquisa mudou. Atualmente, os métodos para obter dados experimentais melhoraram significativamente. Se antes uma teoria foi construída e depois confirmada ou refutada pelo experimento, hoje ela é baseada em um complexo de medições de alta precisão.
Para estudar fluxos de fluidos laminar e turbulento, o Instituto Max Planck agora usa uma câmera que faz até 1 milhão de quadros por segundo. A câmera anterior era 500 vezes mais lenta e tirava 2000 quadros por segundo. Ao estudar o fluxo turbulento usando câmeras, milhares de partículas podem ser rastreadas. Suas trajetórias e velocidade de movimento são convertidas em matrizes de dados, que são processadas por uma poderosa tecnologia de computador. Isso permite criar modelos numéricos dos processos e entender melhor a natureza de fenômenos como, por exemplo, turbulência.
O estudo do processo de formação de gotículas nas nuvens pode melhorar significativamente a precisão da previsão do tempo. Especialmente para esse fim, um laboratório da estação de pesquisa ambiental alemã foi criado no Monte Zugspitze (2.962 m / 9.718 pés). Ao longo da ferrovia de 7 metros, 4 câmeras de alta velocidade estão instaladas. Quando as nuvens passam por elas, as câmeras permitem estudar minuciosamente os processos que ocorrem no volume de vários centímetros cúbicos. Os pesquisadores estão observando como o pó de água fina sob a influência da turbulência se combina em gotículas maiores.
Em outras palavras, eles estão estudando a origem da chuva. Mas os cientistas não pretendem se concentrar nas capacidades existentes e já estão projetando a entrega de câmeras de alta velocidade às nuvens usando um híbrido de uma pipa e um balão.
Quão diversas são as esferas de aplicação da hidrodinâmica podem ser julgadas por suas seções principais:
- Ambiente ideal - esta seção estuda o comportamento de um fluido ideal, no qual a descrição pode negligenciar o atrito interno, a condutividade térmica e as tensões de cisalhamento.
- Hidrodinâmica de fluxos laminar - estuda o movimento de fluxos uniformes sem pulsações e mistura de camadas.
- A turbulência é um processo muito difícil de modelar. A turbulência ocorre com um acentuado desvio de pressão, velocidade, temperatura e densidade em relação a alguns valores médios. Por exemplo, na zona de surf, uma onda incidente se mistura com o ar para formar uma espuma. Frequentemente, os passageiros da aeronave sentem vibração quando uma aeronave entra em uma zona de turbulência. Também podemos observar o fenômeno da turbulência na água fervente. Esta é uma seção muito importante, sem a qual nem um único pipeline será construído.
- A hidrodinâmica supersônica é uma seção específica que estuda o comportamento dos fluxos em velocidades próximas ou superiores à velocidade do som. A principal característica do comportamento de tais fluxos é a ocorrência de ondas de choque.
- Transferência de calor e massa - estuda o comportamento complexo de líquidos com uma distribuição de temperatura desigual. Nesse caso, as propriedades do meio, como densidade, viscosidade e condutividade térmica, podem mudar localmente.
- Hidrodinâmica geofísica - estuda fenômenos naturais em escala planetária. Isso inclui o movimento de correntes de ar, correntes marítimas e oceânicas, circulação no núcleo líquido e muito mais.
- Hidrodinâmica magnética - descreve o movimento de um fluido eletricamente condutor em um campo magnético. Além disso, esta seção estuda os fenômenos da física espacial: explosões cromosféricas no sol, a origem dos campos magnéticos das galáxias, manchas solares.
- Reologia - estuda o movimento de fluidos não lineares, que incluem géis, pastas, pseudoplásticos e viscoelásticos. A reologia é amplamente utilizada na ciência dos materiais e no estudo de processos geofísicos.
- Hidrodinâmica aplicada - trabalha com problemas científicos e técnicos específicos.
O desenvolvimento da impressão a jato de tinta
Uma das áreas da hidrodinâmica aplicada é a impressão a jato de tinta. Há mais de 15 anos, a Océ colabora nessa área com o Instituto Max Planck. Um grupo de cientistas liderado pelo professor Detlef Lohse está estudando os processos em torno da impressão a jato de tinta para determinar a velocidade máxima de impressão. Ou seja, a definição do limite quando a injeção de tinta nos bicos da cabeça de impressão e as gotas de fixação na mídia se tornarem instáveis.
Ao mesmo tempo, estão sendo desenvolvidas formas de maximizar o apoio ao regime de estabilidade.
A impressão moderna a jato de tinta utiliza duas tecnologias de injeção de tinta. Em um caso, o papel do pistão, empurrando uma gota de tinta do bico da cabeça de impressão, é desempenhado por uma placa piezoelétrica e, no outro, por uma bolha de vapor. A Canon é o único fabricante no mundo a fabricar equipamentos de jato de tinta usando as duas tecnologias. Ao mesmo tempo, a divisão Océ é especializada na produção de impressoras com cabeças de impressão piezo-acústicas.
A Océ deu os primeiros passos no desenvolvimento de sua própria tecnologia de jato de tinta no início dos anos 90 do século passado. A empresa apreciou o enorme potencial da tecnologia de jato de tinta. Ao contrário de outros tipos de impressão, há menos peças rotativas. Isso significa que, com a redução de peças, o custo inicial do equipamento é reduzido e o tempo de inatividade para manutenção é reduzido. Portanto, para criar nossa própria tecnologia exclusiva de jato de tinta, era necessário entender os processos dinâmicos de hidro-gás. Foi então que as parcerias começaram a se formar com o Instituto Max Planck, em Göttingen (Alemanha) e a Universidade de Twente (Holanda).
Os pesquisadores enfrentaram muitos problemas interessantes que exigiam uma solução abrangente. Era necessário levar em consideração as propriedades físico-químicas e ópticas da tinta, o modo de injeção das gotículas, a entrega da tinta na cabeça e a taxa de alimentação do meio impresso. Alterar apenas uma característica implicava um ajuste e o resto.
Com as semelhanças externas entre as tecnologias piezoelétricas e de jato de bolhas, elas apresentam sérias diferenças, tanto nos próprios processos quanto nas capacidades. A tecnologia da bolha usa tintas à base de solvente ou à base de água. O princípio de operação dessa impressão é que em cada célula de impressão existe um elemento de micro-aquecimento. Quando um impulso elétrico é aplicado, o elemento aquece e as camadas de tinta adjacentes fervem. Nesse caso, uma bolha de vapor se forma bruscamente. Ele, por sua vez, desempenha a função de uma espécie de "pistão", empurrando uma porção de tinta do bico. Aqui, todos os fenômenos da dinâmica dos hidrogás são totalmente manifestados.
Na tecnologia piezoelétrica, o papel do “empurrador” é desempenhado pela placa piezoelétrica. Ele muda sua geometria sob a influência de impulsos elétricos. Devido a isso, uma gota de tinta é injetada no bico. Modulando o sinal fornecido à placa piezoelétrica, é possível definir o volume da gota com alta precisão. Isso oferece muitas vantagens da tecnologia de impressão piezoacústica:
- Dosagem precisa otimiza o consumo de tinta;
- Fornece reprodução precisa de cores em todas as impressões;
- Possibilidade de usar tintas sem solvente (tinta UV, sólida), que cristalizam instantaneamente na mídia e não requerem secagem;
- Como conseqüência do parágrafo anterior, reduzindo o consumo de energia e a capacidade de imprimir em mídias críticas ao calor;
- Impressões indeléveis e resistentes ao desgaste de alta velocidade de impressão;
- Devido à cristalização instantânea da tinta, tipos de papel baratos podem ser usados como suporte, uma vez que a gota é fixada na superfície do suporte sem ser absorvida pelo mesmo.
A pesquisa no campo da hidrodinâmica das tecnologias de jato de tinta não se limita a questões de impressão. A tecnologia moderna permite imprimir em várias mídias e usar muitas composições de impressão. Então já dominou a impressão em vidro, madeira, metal, plástico. Recentemente, a impressão em volume começou a ser praticada, permitindo a transferência não apenas de cores, mas também da textura do volume da superfície. Assim, torna-se possível imprimir não apenas no material, mas também no próprio material. Pode ser aplicado em chips de impressão ou revestimentos de tela de toque.
Na fronteira da pesquisa fundamental e aplicada, novas perspectivas parecem não mais tão fantásticas. Existem semelhanças significativas entre as características físicas do sangue e da tinta. Eles têm viscosidade e fluidez semelhantes. Parece, o que isso tem a ver com a impressão a jato de tinta? Mas talvez esses sejam os primeiros passos para imprimir tecidos vivos ou mesmo órgãos inteiros.