mezcla turbulenta

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.

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 tejedora se sienta ante el telar y sus manos se mueven con un ritmo imposible de predecir de antemano. Los hilos se juntan y se separan, formando un patrón que parece aleatorio pero obedece reglas estrictas.

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.

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 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.

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 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 una olla, el agua hierve: las burbujas burbujean y el calor se escapa rápidamente al aire. En el centro del reactor de fusión ARC, el plasma se comporta de manera similar, solo que en lugar de burbujas hay vórtices turbulentos, y en lugar de aire, un campo magnético que debe retener el calor. Los vórtices estorban: transportan calor hacia afuera y enfrían el plasma.

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.

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 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.

En el corazón del cúmulo de galaxias de Ofiuco flota una burbuja de plasma caliente del tamaño de varias galaxias. Asciende como un globo aerostático gigante en la atmósfera, y detrás deja una estela: una región donde el gas se pone en movimiento.

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.

En una nube, miles de diminutas gotas de agua flotan en el aire. Para que llueva, necesitan crecer: unirse en gotas más grandes y volverse lo suficientemente pesadas como para caer al suelo.

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.

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.

La joven estrella HL Tau está rodeada por un disco de gas y polvo: la cuna de futuros planetas. Dentro de este disco, el gas no se queda quieto: gira en círculos, pero al mismo tiempo tiembla y se mezcla, como el agua en un río bravo. Los astrónomos han medido por primera vez la fuerza de esta mezcla.

Un nadador que corta el agua a la velocidad de las olas que corren sobre ella se encuentra en una situación extraña: las olas que él mismo genera no pueden ni adelantarlo ni quedarse atrás. Se acumulan frente a su proa y se congelan. Un fenómeno similar ocurre cuando una fuente de luz se mueve dentro de un medio a una velocidad que coincide con la velocidad de transferencia de energía de las olas.

Cuando una estrella masiva muere, su núcleo se contrae hasta convertirse en una estrella de neutrones y las capas externas se dispersan en una explosión. En ese momento nace una nube de neutrinos increíblemente densa: partículas que casi no interactúan con la materia, pero que se 'comunican' activamente entre sí.

Los planetas nacen del polvo. En el disco alrededor de una estrella joven, diminutas partículas de polvo chocan, se pegan y crecen poco a poco, como una bola de nieve que rueda montaña abajo. Pero hay un obstáculo: el gas del disco se mueve más rápido que el polvo y lo frena, impidiendo que se acumule en grumos grandes.

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.

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.

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.

Un río tranquilo que de pronto empieza a hervir en un tramo llano: así se ve el enigma que abordaron los autores del nuevo trabajo. Tomaron una fina capa de gas cargado con un campo magnético muy débil y siguieron en la computadora qué le sucede. Al principio todo fluye uniforme, como agua del grifo.

En un tubo vertical estrecho, el alcohol fluye hacia arriba rodeado de agua, y en su interior nacen burbujas de dióxido de carbono. En cuanto aparecen, se dirigen de inmediato hacia el eje de la corriente, como si una mano invisible las reuniera en una cadena ordenada.

10 de octubre de 2024. El Sol lanzó hacia la Tierra una nube de plasma magnetizado, y cuatro naves espaciales situadas en un mismo punto entre el Sol y la Tierra registraron a la vez cómo bullía esa nube. La distancia entre las sondas extremas es de solo 80 radios terrestres, unos 500 000 kilómetros.

En un acelerador de plasma, las partículas se aceleran como surfistas sobre una ola creada en el plasma. Si el paquete líder y el paquete trasero no viajan en la misma línea, surge una inestabilidad que sacude al paquete trasero. Es como si un surfista en una ola comenzara a zigzaguear de un lado a otro: su trayectoria se degrada y puede caerse de la ola.

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.

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.

La ecuación de difusión es una foto borrosa de una multitud de partículas: en ella, una perturbación se extiende instantáneamente por todo el Universo, desafiando la teoría de la relatividad. El misterio se agravaba por su conexión con el aumento de la entropía (medida del desorden).

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.

En un vaso de refresco, las burbujas suben alegremente hacia la superficie. Pero si congelas el agua, algunas burbujas quedan atrapadas en el hielo. ¿Cómo llegan allí? El hielo crece empujando el gas, pero no siempre tiene tiempo de hacerlo.

En un vaso de agua, los ultrasonidos crean burbujas diminutas. Estas crecen y se encogen, y a veces colapsan bruscamente, como una burbuja de jabón que estalla, pero miles de veces más rápido. Junto a estas burbujas flotan pequeñas partículas, por ejemplo, esferas de níquel del tamaño de una mota de polvo.

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.

Tira un puñado de guisantes en una cazuela con sémola: los guisantes se hundirán rápido, apartando los granos. Pero si haces la sémola muy espesa y pegajosa, los guisantes se quedarán atrapados. Algo parecido hicieron los átomos ligeros de litio en una nube de átomos pesados de potasio a temperaturas de millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

Alrededor de las estrellas jóvenes giran nubes planas de gas y polvo, de las que luego se forman los planetas. Para que la materia en un disco así se aglutine en grumos, debe mezclarse constantemente. Pero, ¿qué hace que el gas se mueva de forma caótica si por sí mismo está en calma?

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 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.