Un equipo de investigadores de la Universidad Côte d'Azur y la Universidad de Hokkaido ha llevado a cabo recientemente un estudio que explora la formación espontánea de patrones espirales observados en la superficie libre orientada hacia abajo de una película líquida horizontal. La superficie examinada por ellos implica inestabilidad de Rayleigh-Taylor, lo que desestabiliza la interfaz entre dos fluidos de diferentes densidades cuando el fluido más pesado empuja hacia abajo al más ligero.

Los investigadores observaron que la descarga de líquido resultante de esta inestabilidad puede ocurrir en forma de cortinas de líquido propagado, que se generan en la periferia circular de la película y aparecen como brazos espirales que giran hacia adentro. Usando un autómata celular fenomenológicamente construido, demostraron que estos patrones surgen del bloqueo de fase, lo que conduce a una descarga intermitente de líquido a un caudal constante sobre toda la superficie de la película.

"Hace unos 15 años, El Dr. Laurent Limat y sus colegas estudiaron la dinámica espacio-temporal de las columnas de líquido que se mueven libremente a lo largo del borde de un plato circular, "Christian Mathis, uno de los investigadores que realizó el presente estudio, dicho Phys.org . "Inspirado por su trabajo, iniciamos el estudio de un conjunto bidimensional de columnas líquidas, con la esperanza de describir todas las inestabilidades secundarias relacionadas con las pérdidas de simetría. Acabamos de encontrar una de esas inestabilidades pero descubrimos que estábamos frente a un sistema bastante simple que mostraba un comportamiento extremadamente rico ".

En su estudio, Mathis y sus colegas observaron que el aumento de la tasa de flujo dio lugar a una serie de patrones complejos, incluyendo una red hexagonal regular de gotas, una celosía hexagonal regular de columnas, Comportamiento espacio-temporal intermitente de columnas y, finalmente, cortinas de líquido formando ondas espirales.

El aparato que usaron es bastante simple, que consiste principalmente en un recipiente cilíndrico semicerrado, con aceite de silicona que se vierte continuamente a través de una entrada en la parte superior y una rejilla de malla fina en la parte inferior. El recipiente contiene una cantidad constante de aceite, determinado por el equilibrio de una presión negativa en el recipiente y el peso del aceite.

El líquido excesivo en el recipiente se filtra a través de la rejilla y forma una película líquida debajo de ella. Esta película desestabiliza de diferentes formas, dependiendo del caudal y la viscosidad del aceite. Dentro de este aparato, todo está hecho de PMMA transparente, ya que esto permite una observación fácil y mediciones de video precisas con iluminación adaptada.

"Con un caudal suficientemente alto, aparecen cortinas líquidas, moverse como olas y, terminan enroscándose alrededor de algún punto central y formando brazos espirales giratorios, "Mathis explicó." Medimos la frecuencia de rotación de cada brazo y de todo el patrón y la longitud de los brazos. La observación clave es la formación espontánea de espirales al romper la simetría rotacional del sistema ".

Los patrones en espiral se pueden encontrar en muchos sistemas, tanto en experimentos de laboratorio como en la naturaleza. La mayoría de estos patrones de espirales giran, con los brazos espirales siguiendo la dirección de esta rotación. Los patrones que giran en la dirección opuesta son bastante raros y se conocen como antiespirales.

"Hemos demostrado que se pueden producir patrones antiespirales en un sistema líquido simple, para lo cual conocemos todas las ecuaciones que rigen, "Harunori Yoshikawa, otro investigador que realizó el estudio, dicho Phys.org . "Una investigación profunda de este sistema 'bien conocido' proporcionaría información sobre casos raros de patrones antiespirales".

El experimento realizado por Yoshikawa, Mathis y sus colegas podrían allanar el camino para nuevos estudios que exploren la manifestación de patrones antiespirales. Además, su estudio podría proporcionar un punto de referencia para las teorías de la formación de patrones.

"Ahora nos centramos en el modelado teórico, buscando una ecuación de modelo apropiada y los rangos de parámetros involucrados, ", Dijo Yoshikawa." Esperamos que teóricamente revelemos las características esenciales de estos procesos de formación de patrones ".

Los investigadores también están explorando actualmente otros patrones observados en su sistema, ya que las espirales que giran hacia adentro eran simplemente una de sus observaciones. Por ejemplo, el régimen de goteo y algunos de los comportamientos peculiares de las columnas de líquido aún no se han investigado exhaustivamente. En el estudio realizado por Mathis, Yoshikawa y sus colegas, la dinámica de las espirales parecía estar relacionada con las características de la propia película líquida, un hallazgo que también están buscando explorar más a fondo.

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