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Sexta, 27 de Janeiro de 2023

Gravidade é produzida com ondas sonoras dentro de uma lâmpada Sexta, 27 de Janeiro de 2023

Gravidade é produzida com ondas sonoras dentro de uma lâmpada

Usando uma lâmpada de 3 cm de diâmetro, cientistas conseguiram produzir um efeito similar à gravidade. O experimento criou a força de radiação acústica para atrair o gás da esfera em direção ao centro, exatamente como a gravidade faz em planetas e estrelas.

Os autores do experimento preencheram a esfera de vidro com gás sulfúrico e aqueceram o material no centro a 4.000 ºC com radiação micro-ondas. Isso gerou ondas sonoras em um padrão estacionário, ou seja, oscilações de ondas de frequências iguais que se propagam em sentidos opostos e encontram-se.

Assim, a força acústica apontou para dentro, rumo à região mais interna da lâmpada — embora a equipe não tenha estudado o ponto central exato. A força acústica tinha um poder 1.000 vezes maior que a força gravitacional na superfície da Terra. Mas, claro, com as proporções da lâmpada, jamais sentiríamos essa “gravidade”.

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Isso resultou em uma força que puxa o gás em direção ao centro da esfera, resultado que pode ser muito útil para investigar o comportamento da convecção (movimento que leva materiais quentes à superfície observado em objetos como estrelas e que gera campos magnéticos).

Visão frontal e lateral do experimento (Imagem: Reprodução/Physical Review Letters/John P. Koulakis et al.)

Uma das principais vantagens de estudar a convecção em modelos como este é que esse tipo de fenômeno é muito difícil de simular em computadores. “Embora não seja em escala planetária, nossa configuração conduzirá testes de precisão com os quais os códigos de convecção esférica vão capturar vários processos não lineares importantes”, disse Seth Putterman, um dos autores da pesquisa.

O conceito partiu de uma descoberta realizada em 2017, quando pesquisas sobre lâmpadas de enxofre de alta potência criaram ondas sonoras capazes de fazer com que o gás quente se acumulasse no centro das lâmpadas. O mérito do novo experimento foi mostrar que essa força atua não na superfície de um objeto onde o som se espalha, mas em todo o gás, que apresenta variações de densidade.

Essas variações acabam redirecionando as ondas sonoras, mas, ainda assim, a força foi observada atuando de modo simétrico, esférico e em direção ao centro da lâmpada. “Sabíamos que a força atua em uma interface nítida entre algo sólido e um gás”, disse equipe John Koulakis, principal autor da pesquisa. “Na lâmpada, não há interface nítida — apenas variações — mas ainda há uma força.”

Movimento de convecção

As imagens capturadas do experimento mostram o movimento do gás quente se expandindo rumo à superfície (Imagem: Reprodução/Physical Review Letters/John P. Koulakis et al.)

Um detalhe importante para estudos astrofísicos é o movimento de convecção que o gás apresentou. A parte perto da metade externa da esfera movia-se em direção às paredes da esfera, enquanto a gravidade acústica apontava para dentro. Isso criou uma turbulência semelhante à das estrelas.

Na metade interna da lâmpada, a gravidade mudou de direção, apontando para fora, fazendo com que o gás quente suba à superfície, enquanto o gás mais frio é empurrado para a parte interna. Como acontece nas estrelas, o gás que sobe esfria, e o que desce esquenta, e o ciclo se repete.

Mas como a convecção se relaciona com a gravidade? Bem, os movimentos de convecção (em qualquer contexto, seja em uma chaleira com água no fogo, seja em uma estrela) acontecem porque a parte aquecida tem densidade inferior à do fluido mais frio. Assim, com a força da gravidade exercida sobre o fluido, a parcela menos densa sobe enquanto a parte mais densa desce, ocupando a região do material que subiu.

O experimento ainda não se aproxima nem um pouco das condições extremas das estrelas ou planetas gigantes gasosos, mas é um passo promissor rumo a versões maiores e mais completas. Essas adaptações da experiência devem usar recipientes maiores e aumentar a temperatura central do gás para explorar regiões termodinâmicas que, hoje, são impossíveis de serem simuladas em computador.

A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters.

Leia a matéria no Canaltech.

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