Com cavidades como bolas de golfe, veículos subaquáticos ou aéreos podem ser mais eficientes e manobráveis. É o que demonstrou um novo protótipo desenvolvido na Universidade de Michigan. As ondulações da bola de golfe rompem a pressão de arrasto — a força de resistência que um objeto encontra ao se mover em um fluido —, impulsionando a bola 30% mais longe do que uma bola lisa, em média. Inspirando-se nisso, uma equipe de pesquisa desenvolveu um protótipo esférico com textura ajustável e testou sua aerodinâmica em um túnel de vento controlado.
“Uma camada externa dinamicamente programável em um veículo subaquático poderia reduzir drasticamente o arrasto, eliminando a necessidade de apêndices salientes, como nadadeiras ou lemes, para manobras. Ao ajustar ativamente a textura da superfície, o veículo poderia alcançar uma manobra precisa com maior eficiência e controle”, explicou Anchal Sareen, professora assistente de arquitetura naval e engenharia marinha e engenharia mecânica da UM e autora correspondente de dois estudos publicados nas revistas Flow e The Physics of Fluids. Esses veículos ágeis podem acessar áreas normalmente difíceis de alcançar no oceano enquanto realizam vigilância, mapeiam novas áreas ou coletam dados sobre as condições da água.
Sareen e seus colegas formaram o protótipo esticando uma fina camada de látex sobre uma esfera oca pontilhada de furos, semelhante a uma bola de picles. Uma bomba de vácuo despressuriza o núcleo, puxando o látex para dentro e criando depressões controladas na superfície quando ativada. Ao desligar a bomba, a esfera retorna ao formato liso. A esfera foi colocada em teste dentro de um túnel de vento de 3 metros de comprimento, suspensa por uma haste fina e submetida a diferentes velocidades de vento. Para cada condição de fluxo, a profundidade das reentrâncias pôde ser ajustada com precisão, alterando a força da bomba de vácuo. O arrasto foi medido usando uma célula de carga, um sensor que detecta a força exercida pelo fluxo de ar sobre o objeto. Ao mesmo tempo, um aerossol foi pulverizado no túnel de vento enquanto um laser de alta velocidade e uma câmera capturavam o movimento das minúsculas partículas enquanto elas fluíam ao redor da esfera.
Em ventos fortes, reentrâncias mais rasas reduziram o arrasto com mais eficácia, enquanto depressões mais profundas foram mais eficientes em ventos mais baixos. Ao ajustar a profundidade da textura, a esfera reduziu o arrasto em 50% em comparação com uma versão lisa, em todas as condições testadas. “A configuração adaptativa da pele é capaz de detectar mudanças na velocidade do ar que entra e ajustar as ondulações de acordo para manter a redução do arrasto. A aplicação desse conceito a veículos subaquáticos reduziria tanto o arrasto quanto o consumo de combustível”, disse Rodrigo Vilumbrales-Garcia, pesquisador de pós-doutorado em arquitetura naval e engenharia marinha na UM e autor colaborador dos estudos.
A esfera inteligente também pode gerar sustentação, permitindo movimento controlado. Frequentemente considerada a força ascendente responsável por manter os aviões no ar, a sustentação pode atuar em qualquer direção, desde que seja perpendicular à direção do fluxo. Para conseguir isso, os pesquisadores projetaram o esqueleto interno com furos em apenas um lado, fazendo com que a esfera desenvolvesse um lado liso e um lado com superfície rugosa quando ativada. Isso criou uma separação assimétrica do fluxo nos dois lados da esfera, desviando a esteira em direção ao lado liso. Pela terceira lei de Newton, o fluido aplica uma força igual e oposta em direção ao lado rugoso, efetivamente empurrando a esfera nessa direção. Reentrâncias à direita geram força para a direita, enquanto as da esquerda empurram para a esquerda. Isso permite um direcionamento preciso, ativando seletivamente a textura na face desejada.
A equipe testou a nova esfera na mesma configuração de túnel de vento, com velocidades de vento e profundidades de textura variável. Com a profundidade ideal, a esfera metade rugosa/metade lisa gerou forças de sustentação de até 80% da força de arrasto. A geração de sustentação foi tão forte quanto o efeito Magnus, mas, em vez de usar rotação, foi criada inteiramente pela modificação da textura da superfície. “Fiquei surpreso que uma abordagem tão simples pudesse produzir resultados comparáveis ao efeito Magnus, que requer rotação contínua”, disse Brahmanda Sudarsana, estudante de pós-graduação em engenharia mecânica da UM e autor colaborador dos estudos.
A longo prazo, isso poderia beneficiar, por exemplo, submarinos robóticos esféricos compactos que priorizam a facilidade de manobra em detrimento da velocidade para exploração e inspeção. Normalmente, esses submarinos exigiriam múltiplos sistemas de propulsão, mas este mecanismo poderia ajudar a reduzir essa necessidade. Olhando para o futuro, Sareen prevê colaborações que combinem expertise em ciência de materiais e robótica suave, avançando ainda mais as capacidades dessa tecnologia de pele dinâmica.
“Essa tecnologia de revestimento dinâmico inteligente pode ser revolucionária para veículos aéreos e subaquáticos não tripulados, oferecendo uma alternativa leve, energeticamente eficiente e altamente responsiva às tradicionais superfícies de controle articuladas”, afirmou. “Ao permitir a adaptação em tempo real às mudanças nas condições de fluxo, essa inovação promete aprimorar a facilidade de manobra , otimizar o desempenho e abrir novas possibilidades para o design de veículos.”
