Dinámica de Fluidos physics.flu-dyn

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.

Una gota de agua cae sobre una hoja de loto y rebota sin dejar rastro. Esta maravilla de autolimpieza ha sido perfeccionada por la naturaleza durante millones de años, y los ingenieros llevan mucho tiempo intentando reproducirla. Pero si la gota golpea demasiado rápido, se deshace en salpicaduras, pierde masa y deja manchas húmedas en la superficie.

Dos anillos de vórtice lanzados uno tras otro se atraviesan mutuamente, intercambiando sus posiciones. Esta danza, observada por primera vez en el siglo XIX con anillos de humo, ahora se ha reproducido en un procesador cuántico. Los vórtices son actores en el escenario cuántico, donde el tiempo actúa como una dimensión adicional.

Cuando se hace girar un líquido en una taza, se forma un remolino con un centro vacío. En ese centro hueco, las ondas encuentran una trampa: al reflejarse en las paredes, le roban energía al vórtice y crecen como el fuego a lo largo de una mecha: cada ola es más fuerte que la anterior, hasta que estalla un pico.

Deje caer miel sobre una esponja. Esta se desliza perezosamente, rodeando los huecos. Pero si la miel se vuelve más líquida al presionarla, el flujo será más astuto. Un líquido con espesor variable en un laberinto irregular de poros es un problema que no se había podido calcular. Los autores del nuevo trabajo promediaron el caos de los microcanales en ecuaciones sencillas.

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.

Tras una inyección bajo la piel, el fármaco no se extiende simplemente como tinta en el agua. Las moléculas de anticuerpos llevan una carga eléctrica, y esta carga hace que interactúen con los tejidos circundantes, de manera similar a como un imán atrae o repele las limaduras de hierro.

En una nube hay miles de millones de gotas que chocan y se fusionan, así nace la lluvia. Pero cómo exactamente la turbulencia, esos invisibles remolinos de aire, ayuda o dificulta el crecimiento de las gotas, no está del todo claro. En el laboratorio recrearon un trozo de nube y siguieron cada gota.

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.

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.

El agua de un charco después de la lluvia no gira igual que la de un lago profundo. Una capa fina de líquido siente el fondo, y eso cambia el carácter de los remolinos. Los científicos crearon esa capa en el laboratorio: vertieron un electrolito, aplicaron una corriente y un campo magnético, y el líquido se puso en movimiento.

Las células humanas vivas, tomadas directamente del organismo, son el material más fiel para estudiar enfermedades y probar fármacos. Pero introducir en ellas material genético extraño es difícil: las células no reciben bien a los intrusos. Los métodos convencionales o dañan la célula o funcionan de manera desigual, sobre todo si la muestra es heterogénea —y casi siempre lo es.

El océano es como un pastel en capas: arriba, agua cálida y ligera; abajo, agua fría y densa. Entre las capas, en la interfaz, se pasean olas invisibles desde la superficie. No levantan crestas como una tormenta, sino que mecen lentamente toda la columna de agua, como si alguien sacudiera un enorme acuario desde dentro.

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.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

El agua en una tubería o el aire sobre el ala de un avión no se desliza libremente: justo en la pared, el flujo se engancha y se frena. Esta fricción no nace de manera uniforme, sino en puntos concretos, donde el flujo forma bandas alargadas, como lenguas largas que se extienden a lo largo de la corriente y se pegan a la pared.

El cirujano introduce un tubo en la aorta para que la sangre circule sin pasar por el corazón. El chorro del tubo golpea la pared del vaso como una manguera de jardín contra un macizo de flores, y desprende partículas que pueden viajar hasta el cerebro. Los científicos construyeron modelos computacionales de aortas de cuatro personas: un niño, un adolescente, un adulto y un anciano.

En el interior de los planetas gigantes, como Júpiter y Saturno, el calor no siempre asciende libremente. Los elementos pesados, más abundantes en unas capas que en otras, impiden que el fluido caliente suba. Se produce entonces una semiconvección: una mezcla en la que el calor y la composición se propagan a distinta velocidad.

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.

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.

Una gota de una mezcla espesa de almidón de maíz y agua cae sobre una mesa. Normalmente, una mezcla así se endurece al instante ante un impacto brusco; incluso se puede correr sobre ella si se llena una piscina. Pero en este experimento todo fue diferente.

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 ultrasonido en un líquido es como agitar rápidamente una botella de refresco: al agitarla, aparecen burbujas. Solo que en ciencia esto se llama cavitación, y las burbujas no simplemente flotan, sino que nacen, crecen y estallan con una fuerza enorme.

Una hoja de papel lanzada desde una ventana revolotea, da vueltas y a veces se detiene un instante en horizontal. Hasta ahora, para predecir esto con honestidad, había que ejecutar millones de ecuaciones en supercomputadoras para cada gota de aire. Es como si para contar el cambio en una tienda tuvieras que modelar cada átomo de la caja registradora. El nuevo enfoque es más astuto.

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.

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.

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.

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.

Dentro de un diminuto sensor de aceleración, el gas no se comporta como el aire de una habitación. Hay tan pocas moléculas que rara vez chocan entre sí, y las leyes habituales de viscosidad y conductividad térmica dejan de funcionar.

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 una olla de sopa hirviendo, las burbujas pequeñas burbujean, pero gradualmente las corrientes grandes comienzan a dominar. Algo similar ocurre en el plasma cósmico, donde los campos magnéticos se comportan como hilos enredados.

Una gota de agua corre por la hoja de taro como sobre un piso encerado. No solo se desliza: acumula electricidad. Hace treinta años, los científicos explicaron por qué las hojas de loto no se mojan: su superficie está cubierta de microprotuberancias entre las que queda atrapado el aire. Pero ahora se ha descubierto que el agua sobre las hojas tiene otra fuerza oculta.

En una máquina de circulación extracorpórea, la sangre fluye a través de tubos estrechos y aspas de bomba que giran rápidamente. A veces los glóbulos rojos no aguantan: su membrana se rompe y la hemoglobina se vierte en el plasma. Para el paciente, es como si alguien echara arena en el sistema de combustible de un automóvil: los pequeños daños se acumulan y estropean todo el mecanismo.

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.

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.

Los átomos en un gas se comportan como bolas de billar: vuelan, chocan y se dispersan en direcciones distintas. Solo que en lugar de bolas rígidas tienen un «abrigo» suave de fuerzas de atracción y repulsión. A distancias cortas, los átomos se repelen bruscamente; a distancias largas, se atraen ligeramente.

El fieltro se asemeja a una madeja de lana enredada, pero bajo los rayos X se ve que en su interior hay senderos ocultos. Cuando una gota de agua cae sobre este material, no solo se extiende por la superficie: parte del líquido se sumerge hacia el interior, como el agua en un papel secante. Los científicos grabaron por primera vez este proceso con una cámara de rayos X que toma cientos de imágenes por segundo.

Una lagartija que cae de una rama no solo da volteretas: atrapa el aire con el cuerpo y convierte la caída en un deslizamiento. Los ingenieros llevan tiempo copiando esas maniobras, pero hasta ahora no existía un lenguaje común para comparar el planeo de una serpiente, una lagartija y un ala artificial.

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.