Los físicos de la Universidad de Chicago que trabajan en el campo naciente de la dinámica de vórtices experimentales tienen, con la ayuda inesperada de un marcador Sharpie, logró las primeras mediciones de una propiedad elusiva pero fundamental del flujo de fluidos.

Hasta ahora, en el laboratorio no había forma de medir la helicidad total, o la medida de cuando dos anillos de vórtice se entrelazan. En sus experimentos, El equipo de UChicago creó vórtices de núcleo delgado, del tipo que se encuentra en las estelas de los aviones y el vuelo de los insectos, mediante la producción de hidroalas utilizando una impresora 3-D.

Quiso la suerte el marcador Sharpie rojo utilizado para etiquetar los hidroalas contenía tinte de rodamina, que emitía fluorescencia cuando se iluminaba con luz láser. Cuando los hidroalas se colocaron en un tanque de agua, el tinte comenzó a difundirse, y cuando el hidroala se aceleró, el tinte fue absorbido por el núcleo del vórtice recién creado, un proceso registrado mediante tomografía de barrido láser de alta velocidad.

Los nuevos hallazgos, publicado el 3 de agosto en Ciencias , son los primeros en demostrar que la helicidad mantiene un valor constante durante el flujo de fluidos viscosos. La dinámica de vórtice tiene aplicaciones importantes en la vida cotidiana; meteorólogos, por ejemplo, ven la helicidad como un factor que contribuye a la formación de tornados supercelulares.

"El hecho de que tengamos algunas mediciones por primera vez que muestren que la helicidad se puede preservar, especialmente en presencia de estiramiento, puede traducirse directamente en esos esfuerzos, "dijo William Irvine, un profesor asociado de física, quien publicó los hallazgos junto con cuatro coautores.

Giros y vueltas

En su última investigación, Los físicos estudiaron tres formas relacionadas de helicidad:torsión, enlazando y retorciéndose. Las tres formas son simplemente diferentes formas de describir formas geométricamente relacionadas que se han torcido o estirado. Cada tubo de vórtice se puede visualizar como un paquete de filamentos, similar a los que están atados en una cuerda retorcida.

"Si toma un trozo de cuerda o un cable telefónico y lo enrolla, entonces diríamos que el centro de esta cuerda o cordón telefónico se retuerce, ", Dijo Irvine." Y si luego tomamos esta cosa que enrollamos y la enderezamos, verías retorcerse a lo largo de su longitud ".

Simular la helicidad en esos flujos ha sido difícil debido a las escalas ampliamente separadas pero interconectadas en las que operan. El trabajo anterior había sido en gran parte teórico e involucrado hipotético, fluidos más simples que carecen totalmente de viscosidad. Los cálculos mostraron que la helicidad se conservaba en estos hipotéticos fluidos, pero la viscosidad surgió como un factor significativo en el flujo de fluidos reales.

"Uno de los problemas principales es que necesita muestrear o medir características del flujo que existen en escalas de longitud muy diferentes, "dijo Martin Scheeler, el autor principal del estudio, quien recientemente completó su doctorado en física en la UChicago. Las escalas van desde el diámetro de un vórtice (aproximadamente 30 centímetros o un pie) hasta el diámetro de su núcleo delgado (aproximadamente un milímetro o tres centésimas de pulgada).

"Es necesario medir el flujo dentro del núcleo, así como la evolución general de la forma de ese vórtice, "Eso es una gran diferencia", dijo Irvine. Caracterizó el trabajo de Scheeler en la superación de los desafíos experimentales, rastreando simultáneamente los detalles finos del flujo mientras seguía midiendo la dinámica crítica a mayor escala, como "un tour de force".

'Son las cosas más extravagantes las que funcionan'

El grupo de Irvine había utilizado previamente burbujas para realizar una investigación pionera sobre la dinámica de los vórtices en sus experimentos con tanques de agua. Las medidas de helicidad, sin embargo, requirió algo diferente, que se proporcionó por casualidad a través del Sharpie.

El tinte se ha utilizado durante mucho tiempo en experimentos de vórtice, pero con menos precisión. En experimentos anteriores, el tinte se colocó de manera difusa en el tanque, y luego los vórtices los envolverían. Pero el Sharpie presentó una oportunidad para colocar con precisión el tinte en el centro de los vórtices, como Scheeler pintó minuciosamente puntos en toda la longitud de los hidroalas.

"Realmente no nos habíamos dado cuenta de que esa era una posibilidad hasta que vimos el tinte sangrando del hidroplano, "dijo Scheeler, quien valoró la creatividad y la libertad involucradas en el diseño de experimentos para un campo naciente de la física.

"Realmente no hay un libro de jugadas, y eso es realmente emocionante ", dijo." Tienes la oportunidad de probar todo tipo de cosas diferentes, ya veces son las cosas más extravagantes las que funcionan ".