Ya sea que un fluido fluya a través de plomería doméstica o tuberías industriales de petróleo y gas, cuando corre despacio, su flujo es suave, pero cuando corre rápido, su flujo es más caótico.

Hace más de 130 años, El físico e ingeniero británico Osborne Reynolds describió el fluido que fluye a bajas velocidades como 'laminar, 'lo que significa que fluye suavemente en una sola dirección, y fluido que fluye a altas velocidades como 'turbulento, 'lo que significa que experimenta cambios caóticos en la presión y la energía. Reynolds desarrolló un conjunto de ecuaciones para describir la relación entre la velocidad a la que fluye un fluido y la fricción que se crea entre él y la tubería.

Los ingenieros todavía usan las "leyes de resistencia" de Reynolds hoy en día para calcular cuánta energía se pierde por fricción cuando los líquidos y gases fluyen a través de una tubería. Sin embargo, un misterio ha quedado sin resolver:¿qué sucede cuando un flujo pasa de laminar a turbulento?

"En el flujo de transición, la fricción varía sin patrones discernibles, "dice el Dr. Rory Cerbus, investigador postdoctoral en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST). Hasta ahora, se desconocían las leyes de resistencia para el flujo de transición, lo que dificulta el cálculo de la fricción y la pérdida de energía durante este tipo de flujo.

Cerbus y otros investigadores de la Unidad de Mecánica de Fluidos y la Unidad de Física Continua del OIST han encontrado una solución sorprendentemente simple a este enigma de 130 años. "Hemos demostrado que, aunque el estado de transición parece ser una colección de estados de flujo, todos estos pueden caracterizarse por leyes que ya conocemos, "dice el profesor Pinaki Chakraborty, Líder de la Unidad de Mecánica de Fluidos. "Esto simplifica un problema fundamental".

Se sabe que el flujo de transición consiste en parches intermitentes de diferentes tipos de flujo, que se alternan a lo largo del oleoducto. En el enfoque estándar para medir la fricción en el flujo de transición, simplemente se agrupan.

En cambio, los investigadores de la OIST analizaron los parches de flujo suave y caótico por separado. Hicieron correr agua por una tubería de vidrio de 20 metros. Añadiendo pequeñas partículas al agua e iluminándola con un láser, podrían medir la velocidad del flujo. Esto les permitió identificar limpiamente los parches alternados de flujo suave y caótico en el flujo de transición. Luego midieron la fricción dentro de los parches individuales usando sensores de presión.

"Repetimos un experimento de libro de texto que rutinariamente realizan miles de estudiantes de ingeniería cada año en todo el mundo, "dice Cerbus, autor principal del artículo, que fue publicado recientemente en Cartas de revisión física . "Usamos esencialmente las mismas herramientas, pero con la distinción crucial de analizar los parches por separado, " él dice.

Los investigadores demostraron que a pesar de las complejidades externas, la ley de resistencia para los parches lisos es consistente con el flujo laminar, mientras que la ley de resistencia para los parches caóticos es consistente con el flujo turbulento. Por lo tanto, El flujo de transición se puede estudiar utilizando las leyes de resistencia originales de Reynolds.

Comprender cuánta energía se requiere para bombear fluido a través de una tubería cuando fluye en el estado de transición podría ayudar a las industrias, como refinerías de petróleo, minimizar el desperdicio de energía y mejorar la eficiencia.

"Si miras con atención, descubre que a menudo hay simplicidad debajo de la complejidad, "dice Chakraborty.