Físicos invirtieron el flujo de energía en la turbulencia, doblando una regla de 80 años

En una fina lámina de agua en remolino, unos físicos hicieron que la energía corriera al revés. En lugar de descender hacia remolinos cada vez más pequeños, o de ascender hacia otros cada vez más grandes, el flujo hizo lo que los investigadores eligieron, según cómo dispusieran las fuerzas que lo agitaban. El resultado desafía una suposición que ha moldeado la física de fluidos durante más de ochenta años.

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

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

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Para demostrarlo, el equipo agitó con fuerzas magnéticas una capa poco profunda de líquido conductor de electricidad, la espolvoreó con partículas trazadoras y filmó cómo se movían. Al rediseñar el patrón de forzamiento, produjo flujos con transferencia de energía hacia delante y flujos con transferencia inversa en el mismo aparato. Las simulaciones por ordenador 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 grande. El principio queda establecido; su alcance, no.

La investigación la llevó a cabo 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 comprobar 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: física

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