Físicos invirtieron el flujo de energía en la turbulencia y doblaron una regla de 80 años

En una delgada lámina de agua en remolino, unos físicos hicieron que la energía corriera al revés. En vez de bajar hacia remolinos cada vez más chicos, o subir hacia otros cada vez más grandes, el flujo hizo lo que los investigadores eligieron, según cómo acomodaban las fuerzas que lo agitaban. El resultado desafía una suposición que moldeó la física de fluidos por más de ochenta años.

Por más de ochenta años, la imagen aceptada de la turbulencia fue una cascada de un solo sentido. En los flujos tridimensionales de un río o del océano abierto, se pensaba que la energía bajaba de manera constante de los grandes remolinos a los chicos, donde por fin se disipa como calor. En capas delgadas, casi bidimensionales, se creía que la cascada se invertía y que los remolinos chicos alimentaban a los grandes. De cualquier modo, la dirección parecía fijada por la geometría del espacio en que vivía el fluido.

El nuevo trabajo separa esa dirección de las dimensiones del flujo. Lo que fija el sentido, descubrieron los investigadores, es la alineación entre dos cantidades en cada punto del fluido: la tensión que lo aprieta y la deformación que sufre en respuesta. Ajustás el ángulo entre fuerza y desplazamiento y la energía se puede empujar hacia arriba o hacia abajo en la escala. La forma del recipiente deja de ser un destino.

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Para mostrarlo, el equipo agitó con fuerzas magnéticas una capa poco profunda de líquido conductor de electricidad, la salpicó con partículas trazadoras y filmó cómo se movían. Al rediseñar el patrón de forzado, produjo flujos con transferencia de energía hacia adelante y flujos con transferencia inversa en el mismo aparato. Las simulaciones por computadora del mismo montaje reprodujeron el cambio, el tipo de coincidencia que convierte una imagen sorprendente en una medición.

Controlar la cascada tiene alcance práctico. La dirección en que fluye la energía en un fluido gobierna cómo se reparten las cosas a través de él, así que dirigirla podría cambiar cómo una costa dispersa una pluma de aguas residuales, cómo un chip de microfluídica mezcla volúmenes diminutos para una prueba médica o cómo se mueve la energía por los flujos en capas que los modelos climáticos intentan captar.

La demostración vive en un sistema cuidadosamente controlado y esencialmente bidimensional, no en la turbulencia tridimensional y caótica de una tormenta o de una corriente profunda. Si ese mismo control de la dirección sobrevive en flujos plenamente tridimensionales y de alta energía es una pregunta abierta, y el salto desde una bandeja de laboratorio hasta el océano es enorme. El principio queda establecido; su alcance, no.

La investigación la realizó un equipo dirigido desde la Universidad de Pittsburgh, en colaboración con la Universidad de Turín, y se publicó en la revista Science Advances. El siguiente paso del grupo es probar hasta dónde llega el control por alineación de tensores a medida que los flujos se vuelven más gruesos y más energéticos, el régimen en el que vive de verdad casi toda la turbulencia real.

Etiquetas: physics

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