Les chercheurs en Mathématiques, Mécanique, et des matériaux dirigée par le Pr Eliot Fried a conçu un dispositif simple en forme de récipient rectangulaire rempli d'eau, dans lequel un cylindre stationnaire est partiellement immergé. Un tensioactif - une molécule organique qui diminue la tension superficielle - est appliqué sur la surface de l'eau sur un côté du cylindre, qui permet aux scientifiques de mesurer les profils des portions sans tensioactif et chargées en tensioactif de la surface de l'eau. Ces mesures ont aidé les scientifiques à construire un modèle théorique qui est utilisé pour déterminer les forces qui agissent sur le cylindre.

L'essence de la complexité réside dans la géométrie :la surface de l'eau se courbe vers le cylindre et la courbure dépend directement de la tension superficielle. Avec un tensioactif sur un côté du cylindre, les profils de surface de l'eau de chaque côté du cylindre sont asymétriques en raison des différentes courbures, ce qui rend le calcul des forces sur le cylindre plus complexe mathématiquement. Jusqu'à maintenant, un modèle simplifié a ignoré ces courbes sous l'hypothèse que la surface de l'eau reste complètement plate des deux côtés du cylindre.

Les scientifiques ont décrit le problème avec trois approches indépendantes :ils ont d'abord calculé numériquement les forces mécaniques appliquées au cylindre, nécessitant l'aide d'un ordinateur pour fournir des solutions aux équations complexes. Inspiré par les résultats numériques, ils sont passés à une méthode analytique, également appelée méthode « stylo et papier », pour confirmer le modèle.

« Avec la méthode numérique, vous devez fournir à l'algorithme des valeurs d'entrée, donc dans un sens vous résolvez les équations pour des cas très spécifiques, " a commenté le professeur Fried. " Vous pouvez avoir une idée de ce qui se passe, mais vous ne pouvez pas fournir une preuve générale. Si vous le faites analytiquement avec un stylo et du papier, sans avoir choisi de valeurs numériques particulières, alors vous avez quelque chose qui s'applique en général."

Les chercheurs ont finalement analysé le problème en utilisant une troisième approche indépendante basée sur l'énergie plutôt que sur les forces mécaniques.

Les trois méthodes conduisent au même résultat inattendu :on peut sans risque ignorer la courbure de l'interface eau-air puisque les forces calculées sont égales à celles obtenues par le modèle simplifié, où la surface de l'eau est supposée plate.

"Nous ne pouvions pas exclure la possibilité qu'ignorer la courbure de l'interface eau-air conduirait à des erreurs inacceptables, " a commenté le Dr Janssens. " Étonnamment, cependant, il s'avère que le modèle simplifié utilisé pendant des décennies est très précis !"

En plus de résoudre un problème complexe, le résultat de cette recherche donne plus de confiance dans des mesures comme la balance de Langmuir qui a été utilisée au cours du siècle dernier. De plus, c'est la première étape vers la compréhension du phénomène complexe d'une gouttelette d'acétone glissant sur l'eau à cause de la tension superficielle.

« Ce travail pourrait être considéré comme une approche réductionniste, où nous avons pris du recul par rapport à ce phénomène très compliqué et essayons de le résoudre par morceaux en partant des caractéristiques les plus basiques, " a conclu le professeur Fried. " Maintenant, nous pouvons passer à un problème un peu plus difficile, par exemple, lorsque le cylindre est autorisé à glisser sur le fluide."