flujo de fluido

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.

La orquesta empieza a tocar, pero cada músico lleva su propio tempo. Si todos tocan más o menos a la misma velocidad, la música fluye como una corriente continua. Pero si un grupo de instrumentos toca notablemente más lento que el resto, el sonido se agrupa en una masa compacta que avanza lentamente.

Las olas en la superficie del agua normalmente se rompen contra cualquier obstáculo: una piedra, un pilote, una isla. ¿Pero qué pasaría si colocas los obstáculos de manera tan astuta que la ola casi no los note? En un nuevo trabajo, los científicos dispusieron sobre el agua un patrón de muchos puntos, colocados según reglas matemáticas especiales, y enviaron olas a través de ellos.

Un grupo de puntos brillantes nada en la oscuridad, a veces condensándose en islotes, a veces dispersándose en ondas. No son peces ni aves: es un modelo matemático de materia activa, donde cada partícula gasta su propia energía para moverse, y además nace, muere y compite con sus vecinas por el espacio.

Una bacteria nada hacia la comida. Una señal química la guía hacia adelante, pero con cada movimiento la señal cambia. Se forma un bucle: sensación, acción, nueva sensación. Los autores del trabajo convirtieron este bucle en una cantidad medible.

Por la noche, cuando caemos en un sueño profundo sin sueños, comienza una marea en lo profundo del cerebro. Cada latido del corazón y cada respiración envían suaves impulsos a través de las cavidades llenas de líquido (los ventrículos). Durante el día, estos impulsos son tímidos y monótonos: el líquido chapotea de un lado a otro casi en el mismo lugar.

En aguas tranquilas, la ruta es clara. Pero en corrientes turbulentas, el robot necesita otra estrategia. Los enfoques habituales requieren un mapa preciso de las corrientes, aunque en la realidad es imposible obtenerlo. La naturaleza actúa de otra manera: los peces sienten la presión y los remolinos justo al lado de su cuerpo.

Una corriente oceánica de cientos de kilómetros de ancho vive su propia vida, alimentándose de la energía de diminutos remolinos. En la atmósfera ocurre algo parecido: los pequeños torbellinos ceden su fuerza a enormes corrientes de aire. Este proceso, la cascada inversa de energía, se conoce desde hace tiempo.

En la intrincada danza de la turbulencia activa, donde motores invisibles engendran el caos, una gota blanda asume el papel de detective. Su forma no es un mero contorno, sino un sensible cifrado: lee las señales ocultas del entorno.

Los orgánulos sin membrana — diminutas fábricas dentro de la célula — desafían los cánones habituales. Tomemos el nucléolo: aquí se sintetizan los ARN ribosómicos — largas cadenas, tejidas a partir de azúcares carbonados, ricos en grupos fosfato con oxígeno y cosidos por enlaces de hidrógeno, suspendidos en el entorno…

Cuando los físicos hacen circular electrones por un canal ultrapuro de arseniuro de galio a temperaturas de helio, esperan ver un líquido dócil, casi ideal.

Millones de cilios —finos pelillos— trabajan dentro de los diminutos conductos de nuestro cuerpo. Laten de forma coordinada, como los remos de una galera, y empujan moco o líquido viscoso. Los autores del nuevo estudio propusieron ver el tapiz ciliar como un medio poroso activo: algo así como una esponja que se comprime y se expande por sí misma, impulsando el agua.

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.

La copa de un árbol enorme se mece con el viento, pero las raíces y el tronco quedan ocultos bajo tierra. En el Sol, el papel de esas raíces invisibles lo desempeñan los campos magnéticos. Emergen de las profundidades, atraviesan toda la atmósfera y controlan el movimiento del gas incandescente: el plasma.

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Un implante poroso cargado con fármaco funciona como una esponja que va cediendo lentamente la sustancia al líquido que lo rodea. Pero si el líquido fluye rápido, arrastra el fármaco de manera distinta que en un entorno tranquilo. Los autores calcularon por ordenador cómo las distintas velocidades de flujo y las propiedades de la estructura porosa afectan a la liberación del fármaco.

El agua que se va por el desagüe forma un remolino. Algo habitual en cualquier cocina. Pero ese mismo remolino ha demostrado ser capaz de reproducir dos efectos que los físicos suelen asociar con los agujeros negros y la rotación de los planetas. El primer efecto es el desfase de una onda al rodear un obstáculo.

Una célula que se prepara para dividirse primero marca su cintura. Bajo su membrana, en un gel fino de filamentos proteicos, comienza el movimiento. Los filamentos fluyen como un río lento y en el centro de la célula se forma un cinturón. Este cinturón se aprieta cada vez más hasta que la célula se estrangula en dos.

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.

En un canal delgado de un semiconductor, los electrones no se comportan como individuos solitarios, sino como una multitud en hora punta. Chocan entre sí constantemente, y de esas colisiones depende con qué facilidad el calor y la corriente eléctrica atraviesan el material.

Una gota de lluvia cae en un charco y, con el impacto, salta un surtidor de pequeñas salpicaduras. Cada una de ellas es una nueva gota secundaria. Cuántas son, de qué tamaño y cuánto tiempo viven depende de muchas cosas: la velocidad de caída, el tamaño de la gota, las propiedades del agua. Los científicos decidieron entender este caos mediante simulaciones por computadora.

En los materiales porosos —suelo, rocas, filtros— los líquidos se mueven a través de diminutos canales sinuosos. Cuando en ese medio coexisten dos líquidos inmiscibles, como agua y aire, la frontera entre ellos cambia constantemente: las burbujas de aire desplazan el agua de algunos poros y abren camino en otros.

Un coágulo no es solo un montón de células. Cuando se daña la pared de un vaso, las plaquetas se agrupan formando un tapón, pero este aún es frágil. Lo que lo hace resistente es la fibrina, una proteína que forma una red de hebras, como el armazón de acero en el hormigón. El modelo mostró que la densidad del tapón decide dónde aparecerá esa red.

La ameba gira a la izquierda. Durante mucho tiempo se consideró el resultado de una cadena rígida de causas, como en un dominó. Pero en el fundamento de la materia hay un margen para la libertad. El modelo «Agent Choice via Quantum Flux» muestra que a cada decisión le corresponde no una, sino múltiples historias cuánticas.

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.

En el frío corazón de un cristal puro, los electrones fluyen como un líquido viscoso, una idea predicha por Lev Landau. Pero los vórtices de este líquido permanecían invisibles, como una imagen deducida del ruido de los espectadores. Ahora los científicos han creado una nanocuerda: un diapasón semiconductor con una cavidad circular.

Una avalancha de polvo no es simplemente un montón de nieve que se desliza montaña abajo. Es una nube que se precipita por la ladera a la velocidad de un automóvil. En su interior, la nieve no reposa, sino que vuela: miles de partículas diminutas son arrastradas por los remolinos de aire.

Los vasos linfáticos son calles de una sola dirección. Por ellos, el líquido fluye solo hacia adelante gracias a diminutas compuertas en forma de pétalos. Estas válvulas se abren únicamente en un sentido, generando una asimetría, una direccionalidad, sin la cual el flujo se detendría.

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.

La Escherichia coli es una nadadora diminuta en un mundo donde el agua es espesa como gelatina. Dentro de nuestro intestino no se desliza libremente, sino que se abre paso a través de la mucosidad, una red enredada de moléculas largas parecida a una madeja de hilos enmarañados.

Una gota de metal líquido se desliza por un canal estrecho, como mercurio de un termómetro roto. No necesita motor: el combustible es una reacción química con el líquido circundante. Pero, ¿qué ocurre cuando la gota choca contra una pared?

En el disco protoplanetario —la nube de gas y polvo que rodea a una estrella joven— las motas de polvo no se limitan a volar en círculos. Son arrastradas por la corriente de gas, como la arena por el viento, y a su vez modifican esa 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.

La corona del Sol se parece a un diente de león despeinado: brillantes pétalos en forma de bucles retienen el gas caliente cerca de la superficie, y entre ellos se escapan al espacio largos chorros tenues. Estos chorros, la lámina de corriente heliosférica, se extienden a través de todo el sistema solar.

La célula es una ciudad con puertas. Cada puerta es un canal proteico en la membrana: a través de él entran y salen iones, azúcares, moléculas señalizadoras. Algunas puertas están casi siempre abiertas; otras se abren y se cierran al azar, como las puertas del metro, que a veces dejan pasar al pasajero y a veces se cierran de golpe.

Los cilios son diminutos pelos en la superficie de las células. Baten como remos y mueven el líquido. En los pulmones, expulsan el polvo y los microbios hacia afuera. Pero su longitud varía: en los humanos miden milésimas de milímetro, mientras que en los ctenóforos alcanzan varios milímetros.

El hielo en una sartén caliente no solo se derrite: también se mueve. Debajo se forma una fina capa de agua y el trozo se desliza como si estuviera engrasado. La velocidad de ese deslizamiento depende de la rapidez con la que el calor atraviesa la película de agua y de la inclinación de la pendiente.