turbulencia

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 aspiradora succiona el polvo incluso si hay más cerca de la boquilla. Así ocurre en un tokamak: las partículas de plasma se concentran hacia el centro, aunque su densidad sea mayor en el borde. Este fenómeno se denomina pellizco de partículas y contradice la regla habitual de que todo tiende a moverse de las zonas densas a las menos densas.

El agua de un tanque gira a casi cuatro vueltas por segundo y, como por arte de magia, surge en ella una columna del tamaño de una mesa de comedor. El vórtice vive durante decenas de vueltas, aunque todo a su alrededor burbujea y tiembla. ¿De dónde sale tanta estabilidad? El secreto es que el vórtice no está aislado.

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.

En un laboratorio de París, se hizo que la luz fluyera alrededor de un obstáculo, como el agua rodea una piedra en un arroyo. Solo que aquí el agua es especial: no siente fricción.

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.

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.

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.

Cuando un fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

Un automóvil con un solo ajuste de suspensión para todas las ruedas: en asfalto liso va suave, pero en camino de tierra tiembla. Así están hechas aproximadamente las modernas simulaciones computacionales de fluidos y gases: todas las perturbaciones, desde grandes remolinos hasta pequeñas ondulaciones, se calman con un único "freno".

Una onda de choque se parece a una ola empinada que avanza por un río tranquilo. En física, estas ondas surgen cuando la materia se comprime más rápido de lo que la señal de esa compresión tarda en extenderse. En el agua o el aire ordinarios, todo es más o menos comprensible.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

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.

Para hacer oscilar un columpio, empújalo al compás. Así se utiliza la resonancia: la amplificación de las vibraciones cuando los ritmos coinciden. Un mecanismo similar retuerce los ejes de las turbinas hidroeléctricas cuando reciben impulsos eléctricos de los centros de datos de inteligencia artificial.

En un mundo atrapado en una red cristalina y enfriado casi al cero absoluto, la materia sabe ocultar sus secretos profundos. Un líquido de espín cuántico es un estado en el que los espines de los electrones nunca se congelan, incluso a temperatura cero, permaneciendo en una superposición eternamente fluctuante.

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.

El agua no es simplemente una sustancia mojada. A escala de picosegundos, se asemeja a una pista de baile donde las moléculas rompen y crean enlaces continuamente. Normalmente, este baile se describe con un movimiento principal: la relajación colectiva, como si toda la multitud se desacelerara al mismo tiempo después de apagar la música.

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.

En el nuevo modelo, cada partícula activa tiene un ritmo interno: gira hacia la izquierda o hacia la derecha. La quiralidad es la propiedad clave: unas giran en sentido horario, otras en sentido antihorario. Pero cuando una partícula choca con un obstáculo o con una vecina, conmuta su rotación, como un patinador que, tras tocar el borde, estalla en una pirueta inversa.

Una bolita está en un hoyo. Por sí sola no saldrá de ahí: necesita un empujón. Pero en el mundo cuántico, una partícula puede filtrarse a través de una barrera sin energía extra. Ese truco se llama tunelización.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

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.

Una piedra cae en un estanque y los círculos se expanden por igual en todas direcciones. Pero hay medios donde la onda parece saber hacia dónde girar: como agua que gira solo en el sentido de las agujas del reloj.

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.

Supersólido cuerpo — materia que es a la vez cristalina y fluida. Se crea a partir de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. En un nuevo trabajo, los físicos obtuvieron esta sustancia en forma de una red triangular de gotas. Cada gota oscila a su propio ritmo.

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.

Una manguera de jardín tiene una fuga. Tapas el agujero con cinta adhesiva, pero el agua presiona cada vez más fuerte y, tarde o temprano, el parche se desprende. Algo parecido le ocurre a un coágulo en crecimiento dentro de un vaso sanguíneo. Cuando se daña la pared del vaso, entran en acción unas diminutas plaquetas sanguíneas.

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.

Un cilindro se estrella a gran velocidad contra el aire y a su alrededor nace una onda de choque: un límite brusco donde el aire se comprime y se calienta al instante. Ernst Mach fue el primero en fotografiar estas discontinuidades, y desde entonces estamos acostumbrados a pensar en ellas como paredes delgadas, casi invisibles.

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.

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.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero si la piedra es muy pequeña y el agua no es del todo común, las ondas la atraviesan sin siquiera darse cuenta. Algo así ocurre con las vibraciones sonoras en el helio superfluido: a energías extremadamente bajas, se filtran a través de los obstáculos como si no existieran.

El agua en un río a menudo forma remolinos. Pero en los semiconductores, la base de los microchips, los electrones también se convierten en un fluido a bajas temperaturas y alta pureza. Si se crea una cavidad circular, aparecen vórtices, como en un remanso fluvial.

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 pelota rueda hacia una colina, pero no tiene suficiente impulso y vuelve a caer. Así lo dicta la mecánica clásica. Pero en el mundo cuántico, una partícula diminuta a veces atraviesa la colina como si no existiera. Ese truco —el efecto túnel— es algo habitual para el ligero átomo de hidrógeno.

Una reacción química se asemeja al paso por un torniquete: una multitud crea caos y se atasca, mientras que una fila ordenada avanza. Sin embargo, en el mundo cuántico, cuando el tumulto se calma, la barrera puede volverse fantasmal: la partícula la atraviesa como si el torniquete desapareciera.

El agua hierve detrás de una piedra en el río, el aire se arremolina detrás del ala de un avión: parece que el movimiento es completamente caótico. Pero los autores del estudio encontraron en ese caos una receta de cocina estricta. Descompusieron la rotación del fluido (el momento angular) en dos partes independientes.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor suben y estallan. En el mundo cuántico de un líquido superfluido, las burbujas se comportan de otra manera: pueden colisionar y engendrar vórtices, diminutas corrientes arremolinadas parecidas a remolinos en un río. Los científicos modelaron ese líquido con un enfoque holográfico.