arrastre

En 1934 Jean Leray demostró que las ecuaciones de Navier–Stokes siempre tienen soluciones «en sentido generalizado». Si la solución sigue suave o puede romperse en una singularidad, no lo supo, y nadie lo supo en noventa años. En 2000 el Instituto Clay incluyó la pregunta entre sus siete problemas del Milenio.

Una burbuja de hidrógeno en un electrodo de platino se comporta como un nadador que intenta salir a la superficie, pero cada vez que casi se desprende, algo lo agarra por los pies desde abajo.

Una multitud en la entrada de un pasillo estrecho no se comporta igual que en una sala espaciosa: a algunos los aprietan contra las paredes, a otros los empujan hacia adelante. Algo parecido ocurre cuando una partícula alargada se encuentra en un líquido repleto de mancuernas automotrices.

Una gota de lluvia se desliza con el viento y golpea el océano no verticalmente, sino en ángulo. En ese momento, su energía se divide en dos canales: uno empuja el agua hacia adelante en la dirección del vuelo, y el otro la presiona hacia abajo, en profundidad.

Una gota de lluvia cae sobre el vidrio y se aplasta como una tortita. Añade un poco de polímero al agua: se vuelve elástica, como gelatina. Uno pensaría que esa gelatina se extendería de otra manera.

Dos trozos de papel de lija están firmemente presionados uno contra el otro. En cuanto se empiezan a deslizar, primero se enganchan por sus asperezas y luego resbalan bruscamente. Más o menos así se comporta una falla terrestre durante un terremoto. Pero hay un detalle importante: ¿cuánto hay que desplazar los bordes para que el agarre se rompa?

Las gotas de agua salen de la boquilla una tras otra, como ciclistas en una pista estrecha. Las que vuelan más rápido alcanzan a las lentas y se fusionan con ellas formando gotas más grandes. Este mecanismo simple se llama agregación balística y hasta ahora solo se había observado a escalas cósmicas: así se unen las partículas de polvo para formar planetas.

El suelo no es una esponja compacta, sino un laberinto de poros de diferentes calibres. Tras la lluvia, el agua no los llena todos a la vez: primero los más estrechos, luego los más anchos. Los físicos han construido una teoría de este proceso basándose en una imagen simple: un conjunto de vasos comunicantes.

En la imagen heisenbergiana habitual, a bajas temperaturas los espines deben ordenarse en un patrón estricto. Pero hay cristales — por ejemplo, el pirocloro — donde la geometría impone su ley.

La materia cuántica rara vez nos regala el espectáculo del movimiento autopropulsado. Mientras que el mundo clásico está lleno de bandadas de estorninos, cardúmenes de peces y bacterias ajetreadas, la termodinámica cuántica permaneció en calma durante mucho tiempo.

Los rayos cósmicos no viajan en línea recta. Las partículas cargadas, aceleradas a velocidades enormes, serpentean en el campo magnético de la Galaxia como motas de polvo en una corriente de viento. Por lo general, se considera que simplemente se dispersan a lo largo y a lo ancho de las líneas de campo.

En el corazón del motor warp está la idea de Einstein de que los cuerpos masivos curvan el espacio-tiempo — el propio escenario donde ocurren todos los eventos cósmicos. Imagina una burbuja de ese espacio-tiempo curvado.

Un líquido caliente fluye con facilidad: las moléculas se agitan, chocan y encuentran rápidamente un nuevo lugar. Pero basta con sobreenfriarlo y todo cambia. El movimiento casi se congela y la viscosidad se dispara por las nubes. La cuestión principal no es que las partículas sean perezosas, sino hacia dónde pueden moverse. Los autores combinaron dos ideas conocidas.

Una gota de champú espeso cae al agua y se congela en una hebra caprichosa. Un fluido que a la vez fluye y se estira como un resorte se llama viscoelástico. En él, las partículas diminutas bajo la acción de los ultrasonidos se comportan de manera muy distinta que en el agua.

El azúcar se disolvió en el té y, de repente, con un solo movimiento, volvió a juntarse en la cuchara. En una cocina normal, esto no se ve: la viscosidad y el desorden lo impiden. Pero en el mundo de los movimientos ultralentos, donde la inercia desaparece, trucos así se vuelven realidad.

Dentro de cada neurona hay un canal largo y delgado: el axón, por el que la señal viaja desde el cuerpo de la célula hasta otras células. Para que el canal funcione, las mitocondrias, unos orgánulos diminutos que producen energía, circulan constantemente por él. Se mueven en ambas direcciones, como coches en una carretera estrecha.

Un barco que se desliza sobre el agua roza constantemente contra ella, como la palma de la mano contra una superficie rugosa. Esa fricción consume combustible y frena la marcha. Una forma de reducirla es inyectar aire bajo el casco: el agua deja de adherirse al casco y la resistencia disminuye. Pero el aire se comporta de manera caprichosa: a veces ayuda y a veces estorba.

Una gota de agua sobre una mesa normalmente permanece inmóvil. Pero si la mesa es un poco más blanda en un borde y más rígida en el otro, la gota se desliza hacia la zona rígida. Este fenómeno se llama durotaxis: el líquido elige por sí mismo hacia dónde fluir, sin bombas ni electricidad. Este truco es posible porque la superficie bajo la gota no es uniforme.

Una diminuta gota de aceite se abre paso a través de un canal acuoso más estrecho que ella misma. En agua limpia avanza con calma, como una esferita redonda. Pero añade un poco de jabón al agua y la gota empieza a curvarse, como una oruga.

El vacío puede generar partículas si se aplica un campo suficientemente intenso. Los físicos llaman a esto la paradoja de Dirac–Klein. Antes, para explicarlo se requerían cálculos muy complejos de la teoría cuántica de campos. Pero se puede recurrir a una imagen intuitiva: una banda elástica muy tensada con un nudo. El nudo es la partícula.

Cuando se estira un trozo de metal, este cambia de forma y, a la vez, se vuelve más resistente. El secreto está en unos diminutos defectos de la red cristalina llamados dislocaciones. Son como arrugas en una alfombra: si mueves la arruga, la alfombra se desplaza más fácilmente que si tiras de toda la alfombra de una vez.

Dentro de la Tierra hay un núcleo sólido de hierro del tamaño de la Luna. Flota en metal líquido y se balancea ligeramente, como un hueso dentro de un melocotón si se agita la fruta. Estas oscilaciones se denominan modos de Slichter: el núcleo se desplaza a lo largo del eje del planeta o transversalmente. El movimiento es frenado por tres fuerzas a la vez.

Dentro de los riñones, el hígado y otros órganos, el líquido fluye por canales que se comprimen y se expanden, como una manguera pisada por un pie. Las paredes de estos canales no son rígidas: son porosas, elásticas y están empapadas de humedad.

El telescopio James Webb observa cada vez más exoplanetas — mundos en otras estrellas. Algunos de ellos son esferas rocosas al rojo vivo, siempre mostrando la misma cara a su estrella. Allí la roca se funde, formando océanos de lava líquida. ¿Cómo se mueve esa lava?

Una hoja plana con cortes en un flujo de agua o aire se comporta como persianas autoajustables. La presión abre las rendijas y cada tira de material se inclina, convirtiéndose en un ala en miniatura. Así, incluso una hoja colocada perpendicular al flujo genera no solo resistencia frontal, sino también una fuerza de sustentación lateral significativa.

Una gota de aceite en agua, cubierta de moléculas de jabón, no se comporta como una gota desnuda. Las moléculas de jabón son como pequeñas varillas: un extremo ama el agua, el otro ama el aceite. En un líquido en reposo, se colocan en la superficie como una empalizada y reducen la tensión superficial, esa fuerza que contrae la gota hasta convertirla en una esfera.

Una gota de lluvia, al caer al suelo, golpea con cierta fuerza. Pero, ¿y si la gota no es redonda, sino alargada como un cigarro, o achatada como una tortita? Resulta que la forma de la gota lo decide todo: la fuerza del impacto puede variar más de diez veces solo por cómo se ve la gota en el momento de caer.

En la mayoría de los materiales magnéticos, la pared de dominio —el límite entre regiones con diferente magnetización— se mueve bajo la acción de una corriente en una dirección determinada por el sentido de la corriente.

Sol inicia el ciclo del agua, y la lluvia la devuelve a la tierra. Pero ahora cada gota es un minúsculo martillo golpeando la superficie. Las partículas plásticas flotantes (microplásticos, principalmente carbono) saltan con el impacto, como granos de maíz palomero en una sartén.

Una moneda girando sobre una mesa es una imagen que todos conocemos. Primero gira rápido, luego se inclina y su golpeteo se vuelve cada vez más frecuente. En los últimos segundos parece suspenderse: la rotación se ralentiza, pero la moneda no termina de caer. Ese momento final es un verdadero enigma para los físicos.

Dentro de un imán hay regiones donde todos los miniimanes atómicos apuntan en la misma dirección. Entre esas regiones hay una estrecha zona de transición donde la dirección de la magnetización gira suavemente. Esa zona se denomina pared de dominio. Antes se la consideraba sin masa: la empujabas y se detenía al instante.

Una partícula deambula en un medio lleno de obstáculos. A veces los empuja hacia adelante, como una máquina quitanieves, y se pensaba que ese empuje era lo que finalmente detenía el movimiento. Pero en un espacio tridimensional, este mecanismo no funciona.

El vidrio es un material con carácter. Parece frágil, pero en su interior pueden habitar poderosas fuerzas invisibles. En el vidrio templado químicamente, la superficie está comprimida como una goma elástica estirada, mientras que el interior está, por el contrario, estirado. Cuando un objeto rápido impacta contra este vidrio, esa goma se rompe en muchos puntos a la vez.

Un halcón planea sobre el campo y sus alas dibujan una danza compleja. Cada aleteo, cada inclinación no es casualidad, sino una combinación de movimientos simples que pueden descomponerse en partes. El comportamiento colectivo del ave en el aire parece intuitivo, pero detrás hay una mecánica rigurosa.

Una cacerola de agua calentada por debajo es un ejemplo sencillo de turbulencia. El líquido caliente asciende, el frío desciende, y el flujo se divide espontáneamente en celdas giratorias, similares a rollos horizontales. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron un recipiente rectangular ancho (diez veces más largo que su altura) y siguieron cuántos de esos rollos aparecían.

Cuando dos placas de la corteza terrestre rozan entre sí, entre ellas queda una capa de roca pulverizada, como arena entre las palmas de las manos. Esta capa, que los geólogos llaman arcilla de falla, no se comporta como roca sólida, sino como una pasta espesa: puede compactarse, expandirse y deslizarse.

En un frasco de líquido aceitoso flotan millones de diminutas partículas magnéticas, cada una del tamaño de una bacteria. Enciendes un imán y las partículas, como soldados obedientes, se alinean en largos hilos. Pero, ¿por qué forman hilos y no grumos? Resulta que no se trata solo de magnetismo.

Una gota cae en un vaso y de la superficie se desprende un pequeño chorrito: una fuente diminuta que por un instante se eleva. Algo parecido ocurre con una burbuja pegada a la pared de un tubo si se tira bruscamente del tubo hacia abajo. El agua alrededor de la burbuja se precipita hacia adentro y desde la parte superior sale disparado un chorro.

Dentro de cada músculo hay un equipo de remeros: las proteínas de miosina, que se agarran a los filamentos de actina, dan una palada y sueltan. El combustible para la palada es la molécula de ATP. Cuando los remeros trabajan coordinados, el músculo se contrae y el cuerpo se mueve.

Una gota de agua corre por la hoja de taro como sobre un piso encerado. No solo se desliza: acumula electricidad. Hace treinta años, los científicos explicaron por qué las hojas de loto no se mojan: su superficie está cubierta de microprotuberancias entre las que queda atrapado el aire. Pero ahora se ha descubierto que el agua sobre las hojas tiene otra fuerza oculta.