Um robô oscilante pode se impulsionar através do reflexo das ondas da água

Coisas estranhas podem acontecer quando uma onda encontra um limite. No oceano, as ondas do tsunami que são dificilmente perceptíveis em águas profundas podem tornar-se bastante grandes na plataforma continental e na costa, à medida que as ondas abrandam e a sua massa se move para cima.

O efeito Casimir é a atração de duas placas paralelas e sem carga porque as ondas virtuais da mecânica quântica com comprimentos de onda maiores que a separação das placas são excluídas entre elas, de modo que os campos virtuais fora das placas as empurram para dentro. Placas paralelas parcialmente submersas em água atraem-se umas às outras à medida que ondas de água portadoras de impulso de comprimento de onda mais longo são excluídas da região central. (A especulação sobre um efeito Casimir marítimo entre navios atracados ainda está em debate.)

Agora, os cientistas mostraram que um robô flutuante e oscilante simétrico experimentará forças quando se aproximar de um limite. Essas forças podem ser utilizadas para autopropulsão sem a necessidade de mecanismos mais típicos, como uma hélice.

O estudo está publicado na revista Cartas de revisão física.

Liderado por Ph.D. estudante Steven W. Tarr, do Georgia Institute of Technology, a equipe construiu um flutuador circular impresso em 3D com 12 cm de diâmetro e massa de 368 g. A bordo, eles instalaram motores movidos a bateria que vibram o barco com uma frequência controlável, produzindo um movimento vibratório ao longo do eixo dianteiro-traseiro (rolamento). Quando ligada, a nave produzia uma série de ondas simétricas na superfície da água, todas com o mesmo comprimento de onda, irradiando para longe dela.

Uma folha de acrílico foi colocada próxima à água para atuar como limite, suficientemente longa para criar efetivamente um sistema unidimensional, de modo que apenas o movimento do barco perpendicular à parede precisasse ser monitorado. Longe da parede (em relação ao tamanho do barco e aos comprimentos de onda das ondas da água), não havia força resultante sobre o barco. Mas perto da parede, observou-se que o barco gerador de ondas experimentava um comportamento atrativo ou repulsivo, dependendo da distância inicial da parede e da frequência das ondas de água geradas.

Os investigadores usaram uma webcam para registar o movimento do barco e mediram o seu movimento lateral (perpendicular à parede), ao mesmo tempo que mediram a sua aceleração nesta direção perpendicular (que era inferior a 100 micrómetros por segundo ao quadrado). As ondas que emanam do barco oscilante foram visualizadas e medidas com uma câmera de alta velocidade através da fotografia Schlieren, que mede mudanças na taxa de fluxo de um fluido, observando mudanças em seu índice de refração.

Quando começou perto da parede – cerca de metade do seu raio ou menos – o barco foi cada vez mais atraído pela parede à medida que a sua distância inicial diminuía e a sua frequência de oscilação aumentava (e, portanto, também aumentava a frequência das ondas da água). Numa distância média, a uma distância inicial de cerca de dois terços do raio e em frequências mais baixas, a força no barco tornou-se ligeiramente repulsiva, afastando-o da parede. Em grandes distâncias (em relação ao raio), não houve força resultante no barco.

Como a aceleração era muito pequena, menos de 10 milionésimos da aceleração gravitacional da superfície da Terra (“g”), foram tomadas medidas para isolar as forças dos efeitos de curto prazo da viscosidade, do arrasto do barco devido às próprias ondas e do inércia do barco. Ainda assim, as forças eram pequenas, abaixo de 100 micronewtons.

O fenômeno da locomotiva de autopropagação e força resultante das ondas que emanam do barco ocorreu quando as ondas refletidas na parede atingiram o casco do barco com energia suficiente. Na parede lateral do barco, as ondas refletidas atingiram o casco com uma altura (amplitude) de onda menor do que a que saíram dele, devido à dispersão das ondas à medida que viajavam pela superfície da água. Essas ondas menores de retorno foram subtraídas das ondas maiores emitidas, interferindo e diminuindo efetivamente a amplitude das ondas que o barco emitia na lateral da parede.

Com efeito, o barco emitia ondas assimétricas, maiores na direção oposta à parede e menores em direção à parede. Esta assimetria entre os dois lados do barco resultou numa força atrativa em direção à parede.

Mais longe da parede, as ondas refletidas tinham uma altura muito pequena para afetar a geração líquida de ondas, mas ainda carregavam algum impulso, resultando em uma leve força repulsiva. Longe da parede, as ondas refletidas se dissiparam e não forneceram nenhuma força significativa.

A dependência da frequência surgiu porque enquanto a energia da onda refletida aumentava com a frequência, o contato das ondas emitidas com a parede levava a uma dinâmica complicada na linha de contato, dissipando energia substancial e modificando a amplitude das ondas refletidas.

“Nosso estudo é um excelente exemplo da riqueza de fenômenos que aguardam para serem descobertos na interface da física e da robótica”, disse Daniel Goldman, coautor e professor de física no Instituto de Tecnologia da Geórgia, que chama esse campo de “robofísica”. “

“Fazer e usar analogias de outros ramos da física (neste caso, o efeito Casimir na teoria quântica de campos) pode ser útil no desenvolvimento de novas abordagens para o movimento do robô, análogas ao nosso trabalho anterior sobre ‘difração mecânica’ em sistemas ondulatórios sem membros”, Goldman concluiu.

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