A complexidade escondida em um prato de cereais matinais

Imagine a cena: você acorda e vai para a cozinha comer o café da manhã. Ainda sonolento, pega um pacote de cereais e leite. Os cereais têm forma de pequenas rosquinhas e enchem o pote, agora também cheio de leite. Você come rápido para manter um pouco da crocância original do cereal, ainda que já esteja um pouco amaciado pelo leite. Já quase no fim, sobram algumas unidades que flutuam no leite. Você então se dá conta de que todos estão grudados uns nos outros, no meio do pote, com leite. Por que eles ficam assim? Qual será a explicação para esse fenômeno? É o momento “eureca” do dia, ou melhor, parcialmente eureca, pois você não tem ideia do que pode causar isso…

Algumas hipóteses podem ser rapidamente geradas. Se os cereais estão juntos, é porque há uma força de atração entre eles. Será que essa força pode ter origem elétrica? O conhecimento sobre movimentos de cargas elétricas logo implica em descartar essa opção. Ainda bem que hoje tem internet, onde podemos checar se alguém já pensou nisso antes. Depois de algumas tentativas frustradas, eis que surge um resultado promissor: o efeito Cheerios (nome norte-americano do cereal em forma de mini rosquinhas). Ao ler sobre o fenômeno e ver outros experimentos, você nota que o assunto pode ser mais complicado do que parece: a explicação parece estar relacionada com uma propriedade dos líquidos denominada “tensão superficial”.

Ao notar um novo fenômeno os cientistas procuram reproduzir o mesmo em condições controladas e com variação de muitos parâmetros. Você pode usar outros objetos no lugar de cereais e outros líquidos em lugar do leite, por exemplo. Depois de realizar esses experimentos, os cientistas notaram que há essencialmente dois tipos de objetos: aqueles que sempre flutuam na superfície do líquido, pois têm uma densidade menor que o líquido (como os cereais, por exemplo); e aqueles que são pesados para afundar quando imersos, mas se colocados com cuidado na superfície não conseguem quebrar a tensão superficial do mesmo (por exemplo, tachinhas de metal). Ao colocar objetos do mesmo tipo, observamos que eles se atraem, enquanto os de tipos opostos se repelem. Além disso, o mesmo efeito atrativo ou repulsivo pode ser observado entre os objetos e a parede do recipiente. Mais uma vez há duas possibilidades: a interface entre o líquido e a parede do recipiente pode ser um menisco côncavo ou convexo (o menisco é a curva que se forma na superfície de um líquido perto da superfície do recipiente que o contém, causado pela tensão superficial). Objetos flutuantes serão atraídos no caso de um menisco côncavo e repelidos por convexo. Objetos em princípio não flutuantes farão o oposto.

Os objetos em um fluido experimentam duas forças opostas na direção vertical: a gravidade (determinada pela massa do objeto) e o empuxo (determinado pela densidade do fluido e pelo volume de líquido deslocado pelo objeto). Se a força de empuxo for maior do que a força da gravidade agindo sobre um objeto, ele subirá até o topo do líquido. Por outro lado, um objeto imerso em um líquido que experimenta uma força gravitacional maior do que sua força de empuxo, afundará.

Na superfície do líquido, um terceiro efeito entra em jogo, a tensão superficial. Esse efeito deve-se ao fato de que as moléculas do líquido são mais fortemente atraídas umas às outras do que ao ar acima do líquido. Como tal, objetos colocados cuidadosamente na superfície do líquido experimentarão uma força ascendente devido à tensão superficial. Se a força ascendente for suficiente para equilibrar a força da gravidade que age sobre o objeto, ele flutuará na superfície do líquido, enquanto deforma a superfície para baixo. Por outro lado, objetos com um empuxo positivo deformarão a superfície da água para cima ao seu redor à medida que pressionam contra a superfície.

Essa deformação da superfície, combinada com a força resultante para cima ou para baixo experimentada por cada objeto, é a causa do efeito Cheerios. Os objetos que experimentam uma força resultante ascendente seguirão a superfície do líquido à medida que ele se curva para cima. Portanto, dois objetos com uma deformação ascendente se moverão um em direção ao outro à medida que cada um segue a superfície do líquido para cima. Da mesma forma, objetos com uma força resultante descendente seguirão a curva da superfície líquida na direção descendente e se moverão horizontalmente juntos à medida que o fizerem.

O mesmo princípio vale para a superfície do recipiente, onde a superfície do líquido é deformada pelo efeito menisco. Se o recipiente estiver molhando em relação ao líquido, o menisco se inclinará para cima na parede do recipiente e os objetos flutuantes se moverão em direção à parede, como resultado de viajar para cima ao longo da superfície. Já os objetos não flutuantes se afastarão das paredes de tal recipiente pelo mesmo motivo.

Se não ficou muito claro, não se preocupe, o assunto é complexo mesmo. O que eu acho mais incrível é que toda essa complexidade esteja presente o tempo todo em nosso cotidiano, basta ficar ligado e se questionar sobre fenômenos observados. Algumas pessoas ainda perguntarão: para que serve saber isso? Eu sinceramente não sei, mas talvez sirva para aplicações biomédicas que utilizem partículas e fluidos, ou em alguma melhoria na indústria alimentícia. Mas a verdadeira graça está no prazer de compreender melhor o mundo em que vivemos, mesmo comendo um prato de cereais no café da manhã.
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Dominic Vella e L. Mahadevan, “The Cheerios Effect”, Am. J. Phys., 73 (9), pp. 817-825 (2005) https://arxiv.org/pdf/cond-mat/0411688.pdf
The Cheerios Effect, Canal Be Smart, https://www.youtube.com/watch?v=mbKAwk-OG_w

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