Es un fenómeno que muchos niños en edad preescolar conocen bien:cuando se mezcla maicena y agua, suceden cosas raras. Agítelo suavemente en un bol, y la mezcla se derrama como un líquido. Exprimirlo, y comienza a sentirse como una pasta. Enróllalo entre tus manos y se solidifica en una bola gomosa. Intenta sostener esa pelota en la palma de tu mano y goteará como un líquido.

La mayoría de los que hemos jugado con este material lo conocemos como "oobleck, "llamado así por una sustancia pegajosa verde en" Bartholomew and the Oobleck "del Dr. Seuss. Científicos, por otra parte, se refieren a la maicena y al agua como un "fluido no newtoniano", un material que parece más espeso o más delgado dependiendo de cómo se manipule físicamente.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un modelo matemático que predice el extraño comportamiento de Oobleck. Usando su modelo, los investigadores simularon con precisión cómo oobleck pasa de un líquido a un sólido y viceversa, bajo diversas condiciones.

Además de predecir lo que podrían hacer las cosas en manos de los niños pequeños, el nuevo modelo puede ser útil para predecir cómo el oobleck y otras soluciones de partículas ultrafinas podrían comportarse para aplicaciones militares e industriales. ¿Podría una sustancia parecida al oobleck llenar los baches de las carreteras y endurecerse temporalmente cuando un automóvil pasa sobre ellos? O tal vez la lechada podría rellenar el forro de los chalecos antibalas, transformándose brevemente en un escudo adicional contra impactos repentinos. Con el nuevo modelo oobleck del equipo, los diseñadores e ingenieros pueden comenzar a explorar tales posibilidades.

"Es un material simple de hacer:vas al supermercado, comprar maicena, luego abre el grifo, "dice Ken Kamrin, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Pero resulta que las reglas que gobiernan cómo fluye este material son muy matizadas".

Kamrin, junto con el estudiante graduado Aaron Baumgarten, han publicado sus resultados hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Un modelo desordenado

El trabajo principal de Kamrin se centra en caracterizar el flujo de material granular como la arena. A través de los años, ha desarrollado un modelo matemático que predice con precisión el flujo de granos secos en una serie de condiciones y entornos diferentes. Cuando Baumgarten se unió al grupo, los investigadores comenzaron a trabajar en un modelo para describir cómo se mueve la arena húmeda saturada. Fue por esta época cuando Kamrin y Baumgarten vieron una charla científica sobre oobleck.

"Habíamos visto esta charla, y tuvimos un largo debate sobre qué es oobleck, y en qué se diferencia de la arena mojada, "Kamrin dice." Después de un vigoroso intercambio de opiniones con Aaron, decidió ver si podíamos convertir este modelo de arena húmeda en uno para oobleck ".

El material granular en oobleck es mucho más fino que la arena:una sola partícula de almidón de maíz tiene aproximadamente 1 a 10 micrones de ancho y aproximadamente una centésima parte del tamaño de un grano de arena. Kamrin dice que las partículas a una escala tan pequeña experimentan efectos que las partículas más grandes, como la arena, no. Por ejemplo, porque las partículas de maicena son tan pequeñas, pueden verse influenciados por la temperatura, y por cargas eléctricas que se acumulan entre las partículas, provocando que se repelen ligeramente entre sí.

"Siempre que aplastes lentamente, los granos se repelerán, manteniendo una capa de fluido entre ellos, y simplemente deslizarse uno al lado del otro, como un fluido, "Kamrin dice." Pero si haces algo demasiado rápido, vencerás esa pequeña repulsión, las partículas se tocarán, habrá fricción, y actuará como un sólido ".

Esta repulsión que ocurre a pequeña escala pone de manifiesto una diferencia clave entre las mezclas de granos grandes y ultrafinos a escala de laboratorio:la viscosidad, o la consistencia de la arena húmeda a una densidad de empaque determinada permanece igual, ya sea que lo revuelva suavemente o lo golpee con el puño. A diferencia de, oobleck tiene un bajo, viscosidad similar a un líquido cuando se agita lentamente. Pero si su superficie está perforada, una zona de rápido crecimiento de la lechada adyacente al punto de contacto se vuelve más viscosa, provocando que la superficie de oobleck rebote y resista el impacto, como un trampolín sólido.

Descubrieron que el estrés era el factor principal para determinar si un material era más o menos viscoso. Por ejemplo, cuanto más rápido y con más fuerza se perturba el oobleck, cuanto más "grumoso" es, es decir, cuanto más friccionan las partículas subyacentes, a diferencia de lubricado, contacto. Si se deforma lenta y suavemente, oobleck es menos viscoso, con partículas distribuidas más uniformemente y que se repelen entre sí, como un liquido.

El equipo buscó modelar el efecto de repulsión de partículas finas, con la idea de que quizás se podría agregar una nueva "variable de aglomeración" a su modelo de arena húmeda para hacer un modelo preciso de oobleck. En su modelo, incluyeron términos matemáticos para describir cómo esta variable crecería y se reduciría bajo cierta tensión o fuerza.

"Ahora tenemos una forma sólida de modelar qué tan grumoso será cualquier trozo de material en el cuerpo a medida que lo deforma de una manera arbitraria, "Dice Baumgarten.

Ruedas girando

Los investigadores incorporaron esta nueva variable en su modelo más general para arena húmeda, y miró para ver si predeciría el comportamiento de Oobleck. Utilizaron su modelo para simular experimentos anteriores de otros, Incluyendo una configuración simple de oobleck que se aprieta y se corta entre dos placas, y una serie de experimentos en los que se dispara un pequeño proyectil en un tanque de oobleck a diferentes velocidades.

En todos los escenarios, las simulaciones coincidieron con los datos experimentales y reprodujeron el movimiento del oobleck, replicando las regiones donde se transformó de líquido a sólido, y de regreso.

Para ver cómo su modelo podría predecir el comportamiento de Oobleck en condiciones más complejas, el equipo simuló una rueda de púas conduciendo a diferentes velocidades sobre un lecho profundo de la lechada. Descubrieron que cuanto más rápido giraba la rueda, cuanto más la mezcla formó lo que Baumgarten llama un "frente de solidificación" en el oobleck, que sostiene momentáneamente la rueda para que pueda rodar sin hundirse.

Kamrin y Baumgarten dicen que el nuevo modelo se puede utilizar para explorar cómo se comportan varias soluciones de partículas ultrafinas como oobleck cuando se utilizan como, por ejemplo, rellenos para baches, o chalecos antibalas. Dicen que el modelo también podría ayudar a identificar formas de redirigir las lechadas a través de sistemas como las plantas industriales.

"Con productos de desecho industrial, podría obtener suspensiones de partículas finas que no fluyen como espera, y tienes que moverlos de esta tina a esa tina, y puede haber prácticas recomendadas que la gente aún no conoce, porque no hay modelo para ello, "Kamrin dice." Tal vez ahora lo haya ".