Los científicos han creado una bola turbulenta encerrada en un tanque de agua que puede ayudar a responder una serie de preguntas de larga data. La turbulencia está a nuestro alrededor. La turbulencia está en todas partes, desde el remolino de café y leche en un café con leche, hasta las fuerzas aerodinámicas en las alas de los aviones y los costados de los automóviles, e incluso hasta el flujo de sangre en el corazón después de que se cierra una válvula. Sin embargo, todavía no los entendemos todos del todo.
Un obstáculo es el enfoque tradicional de los físicos, a quienes a menudo les gusta estudiar los fenómenos aislados de factores externos. Pero cuando se trata de turbulencias, al igual que cuando se agita un vaso de líquido, la cuchara sigue siendo una parte integral del proceso, influyendo en el comportamiento del fluido. Hasta la fecha, los métodos para aislar la turbulencia como variable independiente han sido difíciles de alcanzar.
Sin embargo, un equipo de científicos de la Universidad de Chicago ha sido pionero en un método para crear turbulencias contenidas en un tanque de agua. Utilizaron chorros anulares para rociar el flujo anular hasta que se formó y persistió una "bola" aislada de turbulencia.
"Esto fue una sorpresa para nosotros", dijo el físico Takumi Matsuzawa, primer autor de un estudio que describe el descubrimiento publicado en Nature Physics. El profesor William Irvine, autor correspondiente del estudio, dijo: "Es como sentarse tranquilamente en un campo haciendo un picnic y contemplando una tormenta a 50 pies de distancia".
Esperan que este avance abra una nueva vía de investigación para comprender mejor las turbulencias.
"La turbulencia -el flujo caótico de materia en una mezcla heterogénea- es un viejo problema", dijo Owen. "A menudo se cita como uno de los grandes problemas no resueltos de la física".
En las últimas décadas, los científicos han avanzado en la descripción del comportamiento de condiciones turbulentas "idealizadas". En otras palabras, la turbulencia no tiene variables de confusión como límites, ni cambios en intensidad y tiempo. Sin embargo, hay mucho más que saber sobre las turbulencias en el mundo real.
"La turbulencia está a nuestro alrededor, pero ha sido esquiva en lo que los físicos consideran una descripción satisfactoria", dijo Owen. "Por ejemplo, si me preguntan, ¿puedo predecir qué sucederá a continuación si perforo esta región turbulenta? La respuesta es no. Ni siquiera con supercomputadoras".
Un gran problema es la presencia de variables de confusión en los experimentos. Se pueden crear turbulencias rociando rápidamente agua a través de una tubería o agitando paletas en un tanque, pero la turbulencia siempre roza las paredes del recipiente y el agitador, afectando los resultados del experimento.
Matsuzawa, Owen y sus colaboradores han estado realizando experimentos con "anillos de vórtice" en tanques de agua, como anillos de humo, pero en agua. Cuando intentan combinarlos para crear turbulencias, la energía normalmente rebota y luego se disipa.
Pero una vez que descubrieron una configuración especial (una caja con ocho esquinas, cada una con un generador de anillos de vórtice), sucedió algo extraño. Mientras disparaban repetidamente los anillos que se encontraban en el centro, vieron formarse una bola de turbulencia autónoma, lejos de las paredes de la caja.
Esto fue un gran avance en sí mismo: "Nadie pensaba que esto fuera posible antes, la turbulencia es muy buena para mezclar líquidos; si mezclas leche con café, solo lo revuelves una o dos veces antes de que se mezcle completamente, pero podemos mantenerlo en su lugar, lo cual es muy sorprendente".
Una esfera de turbulencia independiente permitiría a los científicos rastrear sus parámetros con mayor precisión utilizando láseres y múltiples cámaras rápidas. Esto incluye su energía y helicidad (una medida de qué tan enredado o "nudado" está el bucle), así como el impulso y el impulso angular (equivalente al momento y al momento angular del fluido).
Es más, pueden jugar con él cambiando los parámetros. Pueden cambiar si el bucle introducido es una espiral en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Podrían cambiar la energía de entrada, o dejar de agregar anillos y observar cómo se disipa la turbulencia, o cambiar la helicidad de los anillos y observar cómo evoluciona la turbulencia con el tiempo.
"¿Cómo se disipa la turbulencia? ¿Cómo se expande? ¿Qué 'recuerda'? ¿Cómo viaja la energía a través de escalas? ¿Hay diferentes tipos de turbulencia? Podemos hacer todo tipo de preguntas, y este es un entorno único para hacerlas", dijo Owen. "Realmente espero que esto nos ayude a abrir nuevos caminos en esta área.