Ingenieros del MIT desentrañan la coherencia oculta de las turbulencias

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT han conseguido resolver uno de los más importantes desafíos pendientes de la ciencia: comprender las estructuras subyacentes que existen en las turbulencias de los fluidos.

El rastreo del movimiento de minúsculas partículas dentro de un fluido turbulento utilizando el láser, cámaras de alta definición y un programa informático, ha permitido seguir el movimiento de dichas partículas en pequeños intervalos de tiempo.

Cuando el agua o cualquier otro fluido se mueve a cierta velocidad entra en un estado conocido como turbulencia, un fenómeno que afecta a cualquier tipo de fluido, desde una mezcla de aire y gas dentro de un motor, hasta al aire que roza la superficie de un vehículo o a las olas marinas que chocan contra un acantilado.

Falta de consenso

Este fenómeno es uno de los grandes problemas de la llamada “dinámica de fluidos” (rama de la física que estudia el movimiento de líquidos y gases) pero, al contrario que otros problemas de las ciencias, éste se manifiesta de manera fácil y ubicua en nuestra cotidianidad. Sin embargo, su explicación y definición formales han sido esquivas hasta ahora.

Según publica el MIT en un comunicado, el equipo de investigación mencionado, que está liderado por el profesor de ingeniería mecánica del MIT, George Haller, ha logrado visualizar por vez primera una compleja causa o motor subyacente en las turbulencias. El trabajo, publicado en la revista Physical Review Letters, ayudará a los ingenieros en el diseño de mejores aviones, coches, submarinos y motores.

Durante mucho tiempo, los científicos han sospechado que bajo la enorme complejidad aparente de las turbulencias debía haber una estructura coherente escondida, pero hasta el momento no había existido una manera objetiva de identificarla. Según Haller, la comunidad científica aún no se ha puesto de acuerdo ni siquiera sobre temas como la formación de los vórtices o el efecto remolino.

Las técnicas matemáticas que este equipo de investigadores han desarrollado, proporcionan una forma sistemática de identificación de los “bloques de construcción” que conforman un fluido turbulento, asegura Haller.

Estructurar el caos

Para definir la estructura de una turbulencia, los científicos del MIT analizaron los datos experimentales obtenidos por otros dos científicos del Center for Nonlinear Dynamics de la universidad de Texas en Austin: Jori Ruppert-Felsot y Harry Swinney, que habían utilizado chorros de agua para aplicar fuerza al agua desde la base de un tanque de fluido rotatorio.

Los investigadores del MIT sembraron el fluido de partículas flotantes luminiscentes (esferas de poliestireno) que brillaban al ser iluminadas con un láser, haciendo visible sus recorridos por vórtices y chorros. Haller explica en dicho comunicado que lo más importante del estudio ha sido el análisis de las velocidades de las partículas, que los colaboradores de la universidad de Texas obtuvieron registrando el movimiento de éstas con una cámara de alta resolución.

Posteriormente, se usó una herramienta informática para calcular qué partícula se movía y dónde, en un segundo de tiempo específico. El resultado ha sido un mapa de alta calidad que refleja todo el campo de velocidad del fluido turbulento en cada instante temporal.

Análisis técnico

El análisis técnico de este campo de velocidad fue llevado a cabo por el estudiante graduado en ingeniería mecánica del MIT, Manikandan Mathur que, usando herramientas matemáticas, descubrió una causa entrelazada insertada en el fluido, lo que sería la raíz de la mezcla turbulenta. De esta forma, no es que se describa el proceso de las turbulencias en los fluidos, como hasta ahora se ha hecho, sino que se puede conocer su dinámica subyacente.

La complejidad que descubrieron los científicos les sorprendió. Sabían que en un fluido turbulento aparecen vórtices inestables en diversas escalas y que éstos interactúan unos con otros. Pero, lo que no sabían, es que los complicados y constantemente cambiantes patrones que se forman en este estado, vienen dirigidos por dos fuerzas que compiten entre sí, en este caso por unir y separar las partículas lumínicas insertadas en el líquido.

Los investigadores identificaron así una compleja red de dos tipos de curvas formadas por dos grupos distintos de partículas. El primer tipo de curva, representada por los científicos en color rojo, atraía a unas partículas. Al mismo tiempo, un segundo tipo de curva, representada en azul, repelía a otras partículas. Los dos conjuntos de curvas evolucionaban con el fluido.

Estructura de lagrangiano

Las caótica maraña que forma la estructura de una turbulencia es simultáneamente atraída por sus componentes y repelida por ellos. Sería por tanto lo que los científicos han bautizado como “estructura de lagrangiano”.

En física, un lagrangiano es una función matemática a partir de la que se pueden derivar la evolución temporal, las leyes de conservación y otras propiedades importantes de un sistema físico.

Los científicos han tomado este nombre porque su estudio, basado en las partículas en los fluidos, está inspirado en las investigaciones del matemático del siglo XIX Joseph-Louis Lagrange, que desarrolló herramientas matemáticas que aún hoy se usan para calcular el movimiento y la mecánica de los fluidos.

Los resultados y la descripción del sistema del fluido en estado de turbulencia podría tener importantes aplicaciones, como la detección temprana de turbulencias en el aire que pueden causar sacudidas inesperadas en los aviones en pleno vuelo o el control de la expansión de la contaminación oceánica, entre otras.