número de Reynolds

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.

El hervidero de la turbulencia quema energía de dos maneras distintas. Los remolinos, como embudos en un torbellino, enrollan el fluido y frotan las capas entre sí. Las ondas de choque, como una palmada repentina, comprimen bruscamente el gas y convierten el movimiento en calor.

El agua confinada entre dos cilindros, cuando el interno gira, primero fluye en capas uniformes. Pero en cuanto la velocidad supera cierto límite, las capas se pliegan en anillos, como una pila de rosquillas. Los físicos llaman a esto vórtices de Taylor: el flujo pierde estabilidad y aparece un patrón regular.

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 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.

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.

Un líquido superfluido fluye sin fricción, como agua que nunca se detiene. Pero si se le hace girar, no solo rota: cada diminuto vórtice recuerda exactamente cómo se le hizo girar. Esa "huella" no es una metáfora, sino una impresión geométrica real que los físicos llaman fase de Berry (el desfase acumulado por una onda al recorrer un camino cerrado).

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.

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.

El flujo de aire que rodea un ala o una pala de turbina se comporta como una cuerda: primero es suave y en capas, es el régimen laminar. Pero basta con que la velocidad aumente o aparezca una perturbación externa para que la cuerda se rompa en un temblor caótico: la turbulencia.

Un terrón de azúcar cae en el té caliente, la cuchara da unas vueltas y el azúcar desaparece. Pero, ¿cómo se distribuye exactamente en el líquido en movimiento? Los físicos han observado este proceso con un nivel de detalle sin precedentes: simularon la turbulencia en una malla de 8192³ puntos.

Una palmada comprime el aire y este se dispersa: el choque más simple. En el espacio, el papel de las palmas lo desempeñan las estrellas que explotan: sus ondas de choque comprimen bruscamente el gas y desencadenan una mezcla caótica: la turbulencia.

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.

Una gota de miel se extiende lentamente sobre la mesa; el agua, rápido. La resistencia al flujo, la viscosidad, es diferente para cada líquido. Pero, ¿y si la viscosidad cambia sobre la marcha, a medida que la sustancia se comprime o se expande?

Al exprimir el kétchup de la botella, luchas contra su terquedad: primero se queda quieto, luego sale disparado de golpe. Es un carácter no newtoniano típico: la resistencia al flujo cambia según la fuerza con la que aprietas. Pero los autores del nuevo estudio han encontrado la manera de eliminar casi por completo esa resistencia.

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.

El burbujeo de una olla, una ráfaga de viento, el humo que sube de una fogata: todo obedece a ecuaciones que los matemáticos llaman «no lineales y disipativas». En pocas palabras, en ellas la energía se pierde por fricción y las partes del flujo se influyen tanto entre sí que predecir el movimiento con antelación es una tarea al límite de lo posible.

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.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

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 viento en un túnel aerodinámico se acelera hasta velocidades enormes y se desata en un caos de vórtices. Para observar cómo muere ese caos en las escalas más pequeñas, los científicos tomaron un sensor más fino que un cabello humano y lo acercaron al flujo. Dentro del túnel se creaba una capa de cizalladura: el lugar donde el aire rápido roza con el lento, generando remolinos.

Un chorro de gas supersónico es como un flujo de autos en una autopista, donde algunos van más rápido que el sonido y otros apenas avanzan. Medir la velocidad de cada vehículo al instante y sin interferir con el tráfico es una tarea difícil.

En el aire turbulento, las gotas no vuelan en línea recta: las zarandea de un lado a otro, como motas de polvo en un rayo de luz. Los físicos construyeron un dispositivo que sigue cada gota del tamaño de una décima parte del grosor de un cabello. Una cámara graba su movimiento y una computadora reconstruye las trayectorias.

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.

El sistema linfático es como una red de canales urbanos por la que el agua se mueve lentamente, arrastrando la basura de los tejidos. Pero no tiene un único corazón que lo bombee. En su lugar, a lo largo de los vasos hay pequeñas estaciones de esclusas: los linfangiones. Cada una de estas esclusas se contrae por sí sola, como un puño, y empuja el líquido hacia adelante.

Un cable delgado hecho de un material especial, un aislante topológico, se comporta como una calle de ciudad: por dentro está vacío y todo el tráfico circula por los bordes. Los electrones en ese cable se mueven solo por la superficie, como peatones por la acera sin pisar la calzada.

Un fluido superfluido fluye sin fricción, como agua en una tubería perfectamente lisa, pero en cuanto encuentra un obstáculo, el panorama cambia. En un nuevo estudio se examinó cómo un flujo superfluido rodea paredes rectangulares y pozos con esquinas afiladas.

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.

El helio líquido, enfriado casi hasta el cero absoluto, se comporta como dos fluidos a la vez: una parte viscosa ordinaria y una parte superfluida que fluye sin fricción. Cuando esa corriente choca con un cilindro, nacen vórtices detrás de él.

Un cilindro romo volando a seis veces la velocidad del sonido no es el objeto más elegante, pero se ha convertido en el protagonista de un nuevo cálculo. La superficie de un vehículo así nunca es perfectamente lisa: al entrar en la atmósfera, el escudo térmico se quema y aparecen protuberancias y hendiduras.

El plasma caliente en un futuro reactor de fusión se parece a una pista de baile abarrotada: miles de millones de partículas giran en un ritmo complejo, chocando y cambiando de velocidad. Entender cuán enredado está ese baile no es tarea fácil. Los científicos encontraron la manera de medir su complejidad sin tener que observar cada movimiento.

Las bacterias en una gota de agua se empujan y nadan, cada una por su cuenta, pero juntas crean patrones. Con movimiento débil, el líquido burbujea como una sopa a fuego fuerte: los remolinos chocan y la dirección de la corriente cambia cada segundo. Esto se llama turbulencia bacteriana.

Una placa delgada se coloca transversal al flujo de agua o aire. Detrás de ella nace una estela: una zona donde el flujo se enreda y se mezcla. Normalmente, esta estela se vuelve turbulenta cuando la velocidad del flujo es suficientemente alta, y la medida de esto es el número de Reynolds.

Cuando el agua hierve detrás de la popa de un barco, la energía del movimiento se convierte en calor a través de una cascada de remolinos. Medir directamente la rapidez con que ocurre esto es difícil: hay que seguir todos los remolinos a la vez. Por eso los científicos usan una simplificación: observan solo una componente de la velocidad en un punto.

El agua en un vaso se calma, pero antes los vórtices pasan por una etapa en la que las pérdidas de energía aumentan bruscamente. Los físicos buscan indicios tempranos de esta etapa para predecir el comportamiento de los flujos, desde la atmósfera hasta los oleoductos.

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.

El agua de un arroyo rodea las piedras, pero la matemática de ese movimiento se esconde en una caja negra: así funcionan las redes neuronales comunes. Dan una respuesta, pero no dicen por qué. Los ingenieros no pueden confiar en una predicción si no ven su razonamiento. La hidrodinámica ahora tiene un modelo transparente.

Una microesfera de gel o una diminuta gota de aceite se abre paso a través de un canal estrecho cuyas paredes se comprimen y se relajan rítmicamente. La partícula se aplana y luego recupera su forma — y por la rapidez con que lo hace se puede conocer su elasticidad interna y su viscosidad.

El agua se enrolla formando un anillo, y ese anillo vuela a través del fluido sin deshacerse. Estos anillos de vórtice, desde el humo hasta las corrientes submarinas, siguen leyes difíciles de capturar en el papel. Normalmente, el flujo se divide en millones de celdas cúbicas y se sigue cada una de ellas.

Un fino chorro de agua fluye por una tabla fría e inclinada y se convierte en una cresta de hielo ante nuestros ojos. Primero, el agua se abre un camino recto de hielo, como si ella misma reforzara sus orillas. Luego, el arroyo comienza a serpentear y el hielo se extiende rápidamente hacia los lados.