Ya sean soplos cardíacos y transporte de petróleo por oleoductos, o aviones con baches y la dispersión de contaminantes, La turbulencia juega un papel importante en muchos eventos cotidianos. Pero a pesar de ser un lugar común, Los científicos aún no comprenden completamente el comportamiento aparentemente impredecible de los remolinos y remolinos en los flujos turbulentos.

Ahora, Una nueva técnica para medir flujos turbulentos ha sido desarrollada por una colaboración internacional de científicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón, junto con la Universidad de Génova, Italia, KTH Estocolmo, Suecia y ETH Zurich, Suiza. Al utilizar fibras en lugar de partículas, el método habitual de medición, los investigadores pudieron obtener una imagen más detallada de los flujos turbulentos. Su método fue informado el 17 de septiembre en la revista, Revisión física X .

"La turbulencia es un fenómeno único y complicado, incluso se lo ha llamado el último problema sin resolver en la física clásica, "dijo el Dr. Stefano Olivieri, investigador postdoctoral de la Unidad de Fluidos y Flujos Complejos de la OIST, quien fue autor del estudio. "Es difícil de predecir, difícil de simular, y difícil de medir ".

La medición de flujos turbulentos es un desafío urgente para los físicos por numerosas razones. La turbulencia no solo se caracteriza por su naturaleza caótica y aleatoria, pero también ocurre en muchas escalas a la vez. En corrientes turbulentas, los remolinos de fluido se descomponen en remolinos que son cada vez más pequeños en escala, hasta que finalmente los remolinos son tan pequeños y viscosos que la energía cinética del fluido se transfiere al medio ambiente en forma de calor.

En la actualidad, la forma más común de medir flujos turbulentos es rastreando el movimiento de partículas, llamados trazadores, que se añaden al fluido. Estas partículas son diminutas y de densidad similar al fluido, y así moverse a la misma velocidad y en la misma dirección que el flujo.

Pero para observar cómo se mueve cada remolino de fluido, mirar cómo se mueve una partícula no es suficiente. Los físicos deben poder determinar cómo dos partículas que están separadas por una distancia específica se mueven una en relación con la otra. Cuanto más pequeño es el remolino, cuanto más juntas deben estar las dos partículas para caracterizar el movimiento del vórtice.

Para hacer las cosas más desafiantes, Una de las características definitorias de la turbulencia es su difusividad:un flujo turbulento se dispersará con el tiempo, y también lo harán los trazadores, especialmente en flujos abiertos, como una corriente oceánica. En muchos casos, los trazadores pueden extenderse demasiado lejos para medir cómo se comportan los remolinos.

"Cada partícula trazadora se mueve independientemente una de la otra, por lo que necesita muchas partículas trazadoras para encontrar las que estén a la distancia adecuada entre sí, "explicó el profesor Marco Rosti, quien lidera la Unidad de Fluidos y Caudales Complejos OIST.

"Y demasiadas partículas trazadoras pueden interrumpir el flujo, "añadió.

Para evitar este problema, El equipo de investigación desarrolló una solución innovadora y sencilla al problema:utilizar fibras en lugar de partículas trazadoras.

Los investigadores crearon una simulación por computadora en la que se agregaron fibras de diferentes longitudes a un flujo turbulento. Estas fibras eran rígidas, que mantenía los extremos de cada fibra a una distancia fija. Al rastrear cómo se movió y rotó cada fibra dentro del fluido a lo largo del tiempo, los investigadores pudieron construir una imagen que abarcó la escala completa y la estructura del flujo turbulento.

"Al utilizar fibras rígidas, podemos medir la diferencia en la velocidad y la dirección del flujo en dos puntos separados por una distancia fija, y podemos ver cómo estas diferencias cambian dependiendo de la escala del remolino. Las fibras más cortas también nos permitieron medir con precisión la velocidad a la que la energía cinética del fluido se transfiere de la escala más grande a la más pequeña. donde luego se disipa por el calor. Este valor, llamada tasa de disipación de energía, es una cantidad crucial en la caracterización de flujos turbulentos, "dijo el profesor Rosti.

Los investigadores también realizaron el mismo experimento en el laboratorio. Fabricaron dos fibras diferentes, uno hecho de nailon y el otro de un polímero llamado polidimetilsiloxano. El equipo probó ambas fibras agregándolas a un tanque de agua que contenía agua turbulenta y descubrió que las fibras dieron resultados similares a la simulación.

Sin embargo, El uso de fibras rígidas conlleva una advertencia importante:los científicos enfatizaron, ya que el movimiento general de los extremos de las fibras está restringido.

"Debido a la rigidez de la fibra, los extremos de las fibras no pueden moverse entre sí, incluso si esa es la dirección del flujo. Eso significa que una fibra no puede representar completamente el movimiento del flujo de la misma manera que las partículas trazadoras pueden, "explicó el Dr. Olivieri." Así que incluso antes de que comenzáramos las simulaciones o los experimentos de laboratorio, Primero necesitábamos desarrollar una teoría adecuada que tuviera en cuenta estas limitaciones de movimiento. Esta fue quizás la parte más desafiante del proyecto ".

Los investigadores también midieron el mismo flujo turbulento en el laboratorio de forma convencional, agregando una alta concentración de partículas trazadoras al tanque de agua. Los resultados obtenidos con los dos métodos diferentes fueron similares, verificar que el método de la fibra y la teoría recién desarrollada proporcionaran información precisa.

Avanzando los investigadores esperan expandir su método para incorporar fibras flexibles que tienen menos restricciones sobre cómo se mueven. También planean desarrollar una teoría que pueda ayudar a medir la turbulencia en fluidos no newtonianos más complejos que se comportan de manera diferente al agua o al aire.

"Esta nueva técnica tiene un gran potencial emocionante, especialmente para los científicos que estudian la turbulencia en grandes corrientes abiertas como corrientes oceánicas, ", dijo el profesor Rosti." Y ser capaz de medir fácilmente cantidades que antes eran difíciles de obtener nos acerca un paso más a comprender completamente la turbulencia ".