dinámica de fluidos con patrones

Un paquete de ondas se parece a un viajero que a veces pierde fuerzas y se dispersa por el camino, a veces mantiene el paso y a veces se concentra. En un canal de 50 metros con agua de 5 metros de profundidad, los científicos observaron cómo se comporta un grupo de olas con forma de campana cuando se cambia su altura pero no su ancho.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos y se mueven libremente. A veces, en ese gas, surgen espontáneamente regiones donde casi no hay electrones: se les llama agujeros. Como si en una corriente de agua apareciera un remolino que atrae todo lo que está alrededor. Pero cómo nace exactamente ese remolino ha sido durante mucho tiempo un misterio.

El plasma de microondas en un vórtice es como una batidora de cocina que calienta y mezcla el gas a la vez. En el reactor, el gas se hace girar y las microondas lo calientan hasta miles de grados, rompiendo las moléculas de dióxido de carbono. Los científicos han creado un modelo computacional de este reactor para entender cómo afecta la presión al proceso.

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

El Universo justo después del Big Bang parecía un caldero hirviente: por doquier estallaban y crecían burbujas de un nuevo estado de la materia. Eran transiciones de fase de primer orden, exactamente como la ebullición del agua. Solo que la temperatura alcanzaba billones de grados.

En un mundo donde los números de Reynolds son insignificantes, el agua se convierte en un jarabe viscoso y los métodos de natación que conocemos dejan de funcionar. Aquí reina el traicionero teorema del peine: los movimientos simétricos no generan avance. Los microorganismos encontraron una solución: desarrollan colas poliméricas.

Los estallidos rápidos de radio (FRB) son faros enigmáticos del Universo que en milisegundos emiten una energía comparable a la que el Sol libera durante siglos.

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.

La paradoja del joven viento solar ha intrigado a los heliofísicos durante mucho tiempo. Las mediciones mostraron que cerca del astro los haces de protones no están borrosos, sino comprimidos, como si alguien les hubiera dado cuidadosamente la forma de una cabeza de martillo.

El agua de un río de montaña no fluye de manera uniforme: hierve, gira en remolinos, acelera de repente. Ese movimiento desordenado se llama turbulencia. Pero incluso en ella hay ritmos ocultos: ráfagas raras y fuertes que, por un breve instante, cambian todo el panorama del flujo.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

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.

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.

En un trozo sólido de aleación de estaño y plomo, las capas de los dos metales están apiladas como las páginas de un libro. Al calentar desde un lado, las capas no se funden de manera uniforme, sino con lenguas y dedos caprichosos.

El flujo turbulento cerca de la pared se parece a una multitud donde cada uno empuja hacia su lado. Los vórtices nacen y se deshacen, creando empujones caóticos. Si se incrusta en la pared un sustrato acústico con un defecto —como un diapasón que suena en una sola nota—, empieza a responder solo a un rango estrecho de frecuencias.

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.

Cuando el agua hierve en una tetera, ondas de vapor se expanden por la cocina. En el espacio ocurre un proceso similar en el plasma, un gas tan caliente que los electrones se separan de los átomos. Alrededor de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, este plasma no solo es caliente: las partículas se mueven a casi la velocidad de la luz.

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.

En el agua ordinaria, las ondas de una piedra lanzada se expanden en círculos concéntricos perfectos. Pero imagina un líquido cuyas moléculas se asemejan a diminutos tornillos con rosca a la derecha. En ese medio, la superficie funciona como una carretera de un solo sentido: las ondas solo pueden propagarse en una dirección determinada.

Un trozo de masa, si se estira hacia los lados, no se estira de manera uniforme: en un punto se adelgaza y se rompe. El tejido vivo se comporta de manera similar, pero en lugar de una ruptura aparecen bandas de cizallamiento: zonas estrechas donde las células comienzan a deslizarse unas sobre otras, como las cartas de una baraja al cortarlas.

Un fino chorro de agua en el cristal de la ducha se agrupa en senderos serpenteantes que tiemblan y cambian ante nuestros ojos. Esta película de líquido que fluye por una superficie vertical es un ejemplo clásico de caos en la naturaleza: todo parece fluir hacia abajo, pero la superficie vive su propia vida impredecible.

El tentáculo de un pulpo se dobla, agarra y se estira, todo sin un solo hueso. El secreto está en que en su interior se alternan zonas que se contraen y zonas que permanecen pasivas. Los científicos llevan tiempo intentando replicar este truco en materiales artificiales, pero hasta ahora no podían precisar exactamente cómo cambiaría de forma el material.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

Un cristal en capas enfriado se asemeja a una pila de láminas delgadas entre las cuales deambulan los electrones. A una temperatura de unos 17 K aparecen en él diminutas regiones donde los electrones se organizan en una onda, como un rizo en la superficie del agua que se congela en su lugar. Estas regiones se denominan charcos de carga y antes se creía que eran estáticas.

El plasma caliente en un tokamak se parece a una bestia caprichosa: hay que contenerlo, pero sin dejar que se sobrecaliente. En el reactor ASDEX Upgrade han encontrado un modo en el que los vórtices del plasma resuelven este problema por sí solos.

Una ráfaga de viento repentina golpea el ala y, sobre ella, se enrolla un enorme vórtice. Este vórtice puede cambiar bruscamente la sustentación, y el avión puede picar. Los ingenieros llevan tiempo buscando la manera de predecir estos vórtices, pero la complejidad lo dificulta: el flujo de aire rápido está lleno de pequeñas turbulencias caóticas.

En una imagen de los pulmones se ve un árbol: el tronco es la tráquea, las ramas son los bronquios y las hojas, los alvéolos. Pero, ¿cómo se reparte el aire por esas ramas? Los científicos han construido un modelo computacional que reproduce la forma de los pulmones a partir de imágenes de tomografía computarizada.

Cada pocos años, la corriente cálida frente a las costas de Perú se desplaza y los pescadores se quedan sin captura. Es El Niño, el aliento del Pacífico tropical, que afecta el clima desde Indonesia hasta California. Predecir su aparición es tan difícil como adivinar hacia dónde rodará una piedra lanzada a un río caudaloso.

El plasma es un gas calentado tan intensamente que los electrones se separan de los átomos. En él corren ondas parecidas al sonido en el aire, pero las controla un campo magnético. Si el campo magnético se vuelve no homogéneo, sino periódico —como una valla con tablones alternados—, las ondas se comportan de otra manera.

El viento sopla de manera uniforme, pero de repente llega una ráfaga y las hojas se arremolinan. Dentro de esa ráfaga, la velocidad del aire no cambia suavemente, sino a saltos: unas veces hacia adelante, otras hacia los lados. Estos tirones raros y fuertes se denominan intermitencia, y son el gran enigma de la turbulencia.

Un hilo fino en una corriente de agua es como un cabello en el chorro de la ducha. Si el agua se agita de un lado a otro, el cabello se estira con la corriente o se arruga. Los científicos tomaron hilos proteicos reales (actina, de la que están hechos los músculos) y los colocaron en un canal microscópico donde el líquido oscilaba a diferentes frecuencias.

El helio superfluido helio fluye sin fricción, y en él nacen vórtices — embudos microscópicos, parecidos a los remolinos en el agua. Dos de estos vórtices pueden jugar a la pídola: uno salta sobre el otro, y brincan en círculo. Este juego fue predicho por Richard Feynman en la década de 1950.

Los físicos utilizaron un simulador cuántico —un dispositivo que imita el comportamiento de partículas cargadas— para estudiar sus colisiones a energías enormes. Según el Modelo Estándar, las leyes del micromundo, el sistema debería transitar rápidamente al caos, donde la entropía es máxima.

Una densidad de cuatro personas por metro cuadrado es el umbral a partir del cual la multitud deja de ser una suma de transeúntes individuales y se convierte en algo distinto. En la plaza Consistorial de Pamplona, durante el festival de San Fermín, la densidad local alcanzó las nueve personas por metro cuadrado.

Un tubo vertical con expansión repentina es un campo de pruebas clásico para la turbulencia. El flujo de aire, girado como un remolino, irrumpe en una cámara ancha y genera vórtices, corrientes de retorno y zonas donde partículas de vidrio de 45 μm de diámetro, la mitad del grosor de un cabello, se mueven en trayectorias complejas.