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Acoustic control of Rayleigh-regime liquid-jet breakup using a through-hole MHz transducer

Este estudio demuestra que un transductor de MHz compacto de orificio pasante integrado en la salida de una boquilla puede controlar eficazmente la ruptura de un chorro líquido en el régimen de Rayleigh mediante la inducción de corrugaciones interfaciales y la reducción de las longitudes de ruptura, con una eficacia que varía según la viscosidad del fluido y la velocidad del chorro debido a los efectos acoplados de presión de radiación, ondas capilares y humectación.

Autores originales: Kha Nguyen, Kareem Ahmed, James Friend

Publicado 2026-09-02

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CC BY 4.0

Autores originales: Kha Nguyen, Kareem Ahmed, James Friend

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un chorro de agua cayendo de un grifo. Al principio, parece una columna sólida y suave, pero a medida que cae, ondas invisibles crecen en su superficie hasta que el chorro se fragmenta en gotas individuales. Esta tendencia natural de un chorro de líquido a romperse es una regla fundamental de la física de fluidos, impulsada por la tensión superficial que intenta reducir el área de la superficie del líquido hacia la forma más pequeña posible. Científicos e ingenieros han buscado durante mucho tiempo controlar este proceso. Ya sea diseñando inyectores de combustible para motores, creando impresoras de inyección de tinta precisas o generando pulverizaciones médicas, la capacidad de dictar exactamente dónde y cómo se rompe un chorro de líquido puede significar la diferencia entre una niebla fina y uniforme y un spray caótico e ineficiente. Durante décadas, los investigadores han intentado forzar esta ruptura mediante vibraciones mecánicas, campos eléctricos o tracciones magnéticas, pero cada método a menudo requiere propiedades específicas del fluido o hardware complejo que limita su uso.

Un equipo de investigadores ha demostrado ahora una nueva forma de controlar esta ruptura utilizando el sonido, específicamente ondas sonoras de alta frecuencia que están mucho más allá de lo que el oído humano puede escuchar. Al colocar un pequeño disco vibratorio directamente en la salida de una boquilla, lograron acortar la distancia que recorre un chorro de líquido antes de romperse en gotas. Esta técnica funciona tanto con agua ordinaria como con mezclas más espesas, ofreciendo una herramienta compacta y versátil para manipular chorros de líquidos sin necesidad de cambiar la composición química del fluido o añadir electricidad al propio líquido. El estudio revela que el efecto no es simplemente una cuestión de sacudir el agua; implica una compleja interacción entre las ondas sonoras que viajan a lo largo del chorro, la forma en que el líquido moja la boquilla y la velocidad a la que fluye el líquido.

Los investigadores construyeron una boquilla especializada utilizando una fina lámina de un cristal llamado niobato de litio, el cual tiene la capacidad única de vibrar cuando se le aplica una señal eléctrica. Perforaron un agujero en el centro de este cristal para que sirviera como la salida del líquido, convirtiendo efectivamente a la propia boquilla en la fuente de la vibración. Cuando bombearon agua a través de este dispositivo y activaron una señal eléctrica sintonizada a una frecuencia de 6,7 millones de ciclos por segundo, el cristal comenzó a vibrar intensamente. Esta vibración lanzó ondas sonoras directamente al líquido a medida que este salía del agujero. Utilizando una cámara de alta velocidad capaz de capturar 50.000 imágenes por segundo, el equipo observó lo que sucedía con el chorro. Sin el sonido, el chorro de agua recorría una distancia predecible antes de romperse. Cuando encendieron el sonido, el chorro desarrolló ondas visibles a lo largo de su superficie y se fragmentó mucho antes, a veces reduciendo la distancia de recorrido a la mitad.

Sin embargo, el comportamiento del agua no fue una relación simple de "más sonido equivale a un chorro más corto". Los investigadores descubrieron que el sonido solo funcionaba eficazmente una vez que alcanzaba una cierta intensidad, actuando como un interruptor que cambiaba el estado del chorro hacia uno nuevo. Por debajo de este umbral, el sonido tenía poco efecto. Una vez que el sonido era lo suficientemente fuerte, el chorro se acortaba drásticamente. Pero si el sonido se volvía demasiado fuerte, el efecto de acortamiento comenzaba a desvanecerse y el chorro se alargaba ligeramente de nuevo. Esto sugiere que el sonido no solo está sacudiendo el agua, sino que está desencadenando una respuesta física específica que tiene límites. El equipo también descubrió que la velocidad del flujo de agua importaba enormemente. Cuando el agua se movía lentamente, el sonido era muy efectivo para acortar el chorro. A medida que el agua fluía más rápido, el sonido se volvía menos efectivo y el chorro se comportaba más como lo hacía sin sonido alguno. Esto sucede porque el agua que se mueve más rápido pasa menos tiempo bajo la influencia de las ondas sonoras, dando a las ondas menos tiempo para crecer lo suficiente como para romper la corriente.

Una parte sorprendente y crucial del descubrimiento involucró cómo el líquido interactuaba con la boquilla misma. Los investigadores notaron que cuando el sonido estaba encendido, el agua tendía a extenderse y recubrir la base de la boquilla, un fenómeno conocido como mojado. Para probar si este mojado era solo un efecto secundario o una parte clave del proceso, realizaron experimentos donde eliminaron cuidadosamente el recubrimiento húmedo y otros donde añadieron deliberadamente agua extra a la base. Descubrieron que una base de boquilla húmeda por sí sola podía acortar el chorro, incluso sin el sonido. Esto significa que el sonido probablemente está ayudando al agua a extenderse, y esa extensión, a su vez, ayuda a que las ondas sonoras transfieran energía al chorro de manera más eficiente. El efecto total es una combinación de las ondas sonoras empujando la superficie del líquido, el líquido extendiéndose en la boquilla y las ondas resultantes creciendo hasta que la corriente se rompe.

El equipo también probó líquidos más espesos mezclando agua con glicerol, un ingrediente común en jarabes y lociones. Estos fluidos más espesos se comportaron de manera diferente al agua. En lugar de esperar a que se activara un umbral específico de sonido, los chorros más espesos se acortaban inmediatamente en cuanto se encendía el sonido, incluso a volúmenes bajos. Esto indica que la física que gobierna la ruptura cambia dependiendo de qué tan espeso o "pegajoso" sea el líquido. Mientras que el agua requería un impulso específico para iniciar el proceso, los líquidos más espesos respondían al sonido de una manera más directa e inmediata. A pesar de estas diferencias, el sonido logró acortar la longitud de ruptura para todos los fluidos probados, demostrando que este método es robusto a través de una variedad de tipos de líquidos.

Finalmente, los investigadores analizaron las gotas que se formaban después de que el chorro se rompía. Rastrearon el tamaño de las gotas visibles que cruzaban una línea virtual en la vista de su cámara. Descubrieron que el sonido cambiaba la población de estas gotas, creando una distribución de tamaños diferente en comparación con el chorro sin forzar. Sin embargo, fueron cuidadosos al señalar que su cámara solo podía ver gotas de un cierto tamaño. El sonido probablemente creó una fina niebla de gotas diminutas e invisibles también, pero estas eran demasiado pequeñas para ser medidas por su equipo. Las gotas visibles no se hicieron más pequeñas de forma lineal conforme aumentaba el sonido; en cambio, el patrón de tamaños de las gotas cambió de formas complejas, lo que sugiere que el sonido altera todo el proceso de ruptura en lugar de simplemente encoger las piezas finales.

Este trabajo establece una nueva y compacta forma de controlar cómo se rompen los chorros de líquido utilizando sonido de alta frecuencia. Al integrar la fuente de sonido directamente en la boquilla, los investigadores crearon un sistema que es pequeño, eficiente y funciona con diversos líquidos sin necesidad de propiedades químicas o eléctricas especiales. Los hallazgos muestran que, si bien el efecto es poderoso, también es sensible a la velocidad del flujo, al grosor del líquido y a cómo el líquido moja la boquilla. Para las industrias que dependen de la formación precisa de aerosoles, desde la impresión hasta la medicina, esto ofrece una nueva herramienta para ajustar los chorros de líquido con mayor control, siempre que se gestionen correctamente las condiciones de flujo. El estudio no pretende haber resuelto todos los problemas de la formación de aerosoles, pero proporciona un método claro y repetible para acortar los chorros y una nueva comprensión de cómo el sonido, el mojado y la velocidad del fluido interactúan para dar forma al mundo de las gotas líquidas.

Resumen Técnico: Control Acústico de la Ruptura de un Chorro Líquido en el Régimen de Rayleigh mediante un Transductor de Orificio Pasante

Planteamiento del Problema
La ruptura de un chorro circular de líquido en aire quiescente está gobernada por la inestabilidad de Rayleigh–Plateau, donde la tensión superficial impulsa al chorro a fragmentarse en gotas para minimizar el área interfacial. Un objetivo persistente en campos que van desde la atomización de combustibles hasta la impresión por inyección de tinta es la reducción controlada de la longitud de ruptura para lograr una producción de gotas más temprana y pulverizaciones más finas. Aunque existen métodos establecidos —como la excitación mecánica mediante elementos piezoeléctricos, la fuerza de campo eléctrico o la fuerza magnética—, estos enfoques suelen imponer restricciones sobre las propiedades de los fluidos (por ejemplo, requerir conductividad o susceptibilidad magnética) o la geometría del dispositivo. La presión de radiación acústica ofrece una alternativa independiente de la naturaleza del fluido, pero estudios previos se han centrado principalmente en frecuencias por debajo del rango de los MHz, donde el mecanismo es primordialmente una modulación mecánica directa. La física de la excitación en el orden de los MHz, particularmente su capacidad para acoplarse a un chorro cilíndrico libre en la salida de la boquilla para controlar la ruptura, permanece menos explorada.

Metodología
Los autores desarrollaron un sistema experimental compacto que integra un transductor de modo de espesor de niobio de litio con orificio pasante directamente en la salida de la boquilla. El transductor, fabricado a partir de un chip de 500 µm de espesor con un orificio pasante de 1 mm perforado, sirve como el propio paso del flujo, permitiendo que el líquido salga a través de un elemento piezoeléctrico vibratorio. El dispositivo fue excitado cerca de su resonancia de 6.7 MHz, una frecuencia muy superior a la frecuencia natural de la inestabilidad de Rayleigh–Plateau del chorro.

Los experimentos se realizaron mediante sombra gráfica de alta velocidad a 50,000 fps para capturar la dinámica del chorro. El estudio utilizó agua desionizada (DI) y mezclas de glicerol–agua con viscosidades variables (números de Ohnesorge entre 0.0038 y 0.0415). Los caudales se controlaron mediante una bomba de jeringa y los experimentos se llevaron a cabo a través de un rango de números de Weber (We) y amplitudes de excitación acústica normalizadas ( $u^* = \dot{\xi}_p/u_0$ ).

Para cuantificar la ruptura, los autores introdujeron un método de análisis de imágenes basado en la autocorrelación. Este enfoque identificó eventos de ruptura estadísticamente separados de las series temporales de longitud instantánea del chorro, filtrando fluctuaciones correlacionadas para determinar una longitud de ruptura media ( $L_b$ ) robusta. Además, se rastrearon las gotas desprendidas resueltas utilizando segmentación por diferencia de fondo y una compuerta virtual aguas abajo para analizar las distribuciones de tamaño de gota, restringidas a diámetros ópticamente resueltos ( $D_{eq} \geq 0.35$ mm).

Result la Clave

Transmisión Acústica: El estudio verificó que el campo acústico de 6.7 MHz actúa como una fuerza distribuida a lo largo del chorro en lugar de una perturbación localizada. El radio del chorro (100–500 µm) excede el radio de corte estimado para el modo de liberación de presión aximétrico a esta frecuencia, permitiendo que el campo acústico se guíe a lo largo del chorro y produzca corrugaciones superficiales visibles.
Reducción de la Longitud de Ruptura: La actuación acústica redujo significativamente la longitud de ruptura normalizada ( $L_b/d$ $L_{b} / d$ ) tanto para los chorros de agua como para los de glicerol–agua.
- Respuesta del Agua: La respuesta fue de tipo umbral. A amplitudes de excitación bajas, la longitud de ruptura cambió débilmente o aumentó ligeramente. Una vez superado un umbral, $L_b/d$ disminuyó abruptamente. Sin embargo, esta eficacia se debilitó a medida que el número de Weber aumentaba, con el efecto colapsando cerca de $We \simeq 50$ .
- Respuesta Viscosa: En contraste con el agua, las mezclas de glicerol–agua (mayor viscosidad) exhibieron un acortamiento inmediato del chorro a niveles bajos de excitación, sin la meseta de respuesta débil. Esto sugiere un régimen de acoplamiento acústico distinto para fluidos con números de Ohnesorge más altos.
Papel del Mojado: Los experimentos que aislaron el estado de mojado de la base de la boquilla revelaron que el mojado por sí solo puede acortar el chorro. La reducción total observada bajo ultrasonido se atribuye a un mecanismo acoplado que involucra la presión de radiación acústica guiada, la retroalimentación de ondas capilares y la inyección de perturbaciones mediada por el mojado.
Distribución de Gotas: El rastreo de gotas resueltas mostró que la excitación de MHz altera la población de gotas visibles que cruzan la compuerta. Aunque el diámetro mediano no disminuyó de forma monótona, la excitación alta desplazó la distribución, particularmente en números de Weber bajos a moderados. El estudio señala que la niebla sub-resoluta y la atomización de escala micrométrica no fueron medidas.

Correlación de Orden Reducido
Los autores desarrollaron una correlación de umbral de orden reducido específicamente para los datos del agua. Este modelo captura el acortamiento abrupto del chorro tras una fuerza acústica finita y la subsiguiente pérdida de eficacia a números de Weber altos. La correlación incorpora un parámetro de control ( $\Theta$ ) dependiente de la velocidad normalizada del transductor y del número de Weber, que representa la pérdida de acoplamiento acústico a medida que aumenta la inercia del chorro. El modelo ajusta con éxito los barridos de amplitud y velocidad del agua, pero no se extiende a las soluciones de glicerol–agua, que operan bajo un régimen de acoplamiento diferente.

Significancia y Reivindicaciones
Este artículo establece la actuación de MHz de orificio pasante como una ruta compacta para modificar la ruptura de un chorro de superficie libre sin requerir modificaciones eléctricas, magnéticas o químicas del fluido. Los autores afirman proporcionar un protocolo de análisis de imágenes repetible para mediciones de mecánica de fluidos experimental utilizando la selección de eventos basada en la autocorrelación.

El estudio enmarca modestamente su correlación de orden reducido no como una teoría predictiva universal para todos los líquidos, sino como una representación compacta de los datos específicos del chorro de agua. Destaca que, si bien la excitación de MHz modifica eficazmente la vía de ruptura y la distribución de fragmentos visibles, el mecanismo es complejo e involucra la fuerza de presión de radiación acoplada, efectos de mojado y amortiguamiento viscoso. El trabajo demuestra que el control acústico es viable pero depende altamente de las propiedades del fluido (viscosidad) y de las condiciones de flujo (número de Weber), con una eficacia que disminuye a medida que la inercia del chorro aumenta.

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