Un profesor de ingeniería ambiental de la Universidad Estatal de Oregón ha resuelto un misterio de décadas sobre el comportamiento de los fluidos, un campo de estudio con amplia experiencia médica, aplicaciones industriales y medioambientales.

La investigación de Brian D. Wood, publicado en el Revista de mecánica de fluidos , despeja un obstáculo que ha desconcertado a las mentes científicas durante casi 70 años y allana el camino hacia una imagen más clara de cómo los productos químicos se mezclan en los fluidos.

Una comprensión más completa de ese principio básico proporciona una base para los avances en una variedad de áreas, desde cómo se propagan los contaminantes en la atmósfera hasta cómo las drogas perfunden los tejidos dentro del cuerpo humano.

Financiado por la National Science Foundation, El trabajo de Wood con la teoría de la dispersión se basa en la investigación de uno de los científicos más consumados en la historia del estado de Oregon. Octave Levenspiel. Un doctorado en ingeniería química de 1952. graduado y más tarde miembro de la facultad desde hace mucho tiempo, Levenspiel en 1957 publicó un importante artículo sobre la dispersión en reactores químicos en su camino a convertirse en el primer miembro de la universidad en la Academia Nacional de Ingeniería.

Aún más importante, la investigación de Wood cierra una brecha de larga data en uno de los principios fundamentales de la mecánica de fluidos:la teoría de la dispersión de Taylor. Nombrado en honor al físico y matemático británico G.I. Taylor, autor de un artículo fundamental de 1953, la teoría se refiere a fenómenos en los que las fluctuaciones en los campos de velocidad de un fluido hacen que las sustancias químicas se propaguen dentro de él.

"El proceso de propagación dispersiva tiende a aumentar con el tiempo hasta que alcanza un nivel constante, ", Dijo Wood." Puede pensar en ello como algo análogo a la inversión en una startup, en el que las tasas de rendimiento pueden ser inicialmente muy elevadas antes de establecerse en un nivel más sostenible cercano a la constante ".

La teoría de Taylor fue la primera en permitir a los investigadores predecir ese nivel constante de dispersión utilizando lo que se conoce como la ecuación de dispersión macroscópica. La ecuación puede describir el movimiento neto de una especie química en un fluido, siempre que haya transcurrido suficiente tiempo desde que la sustancia química entró en el fluido.

"Esa fue una revelación significativa en ese momento, ", Dijo Wood." Estaba a la par con lo que los investigadores estaban haciendo teóricamente en otras disciplinas, como la mecánica cuántica ".

Si bien la teoría de Taylor fue exitosa y revolucionaria, Los investigadores todavía luchaban con el problema de cómo la propagación dispersiva evoluciona a partir de su dinámica, comportamiento temprano, lo que se denomina su condición inicial, hasta el momento en que alcanza el valor más constante predicho por Taylor.

Los científicos encontraron cierto éxito al agregar a la ecuación un coeficiente de dispersión dependiente del tiempo, pero el coeficiente creó sus propios problemas, el principal son las paradojas.

"Por ejemplo, si los solutos químicos inyectados en un fluido en dos momentos diferentes se superponen, ¿A qué hora le asigna el coeficiente de dispersión? ", dijo Wood." El propio Taylor entendió que, donde se adoptó un coeficiente de dispersión dependiente del tiempo, las teorías contemporáneas violaron las nociones básicas de causalidad en física ".

Wood y colaboradores utilizaron otro canon, la teoría de ecuaciones diferenciales parciales, para mostrar que los problemas con el coeficiente de dispersión dependiente del tiempo surgieron por descuidar la relajación del soluto, el químico inyectado en el fluido, o solución — desde su condición inicial.

"Cuando se inyectan por primera vez las especies químicas, su comportamiento no es necesariamente consistente con una ecuación de tipo dispersión, Wood explicó. la condición inicial primero tiene que "relajarse". Durante este tiempo, hay un término adicional para tener en cuenta que faltaba en la ecuación de dispersión a macroescala de Taylor ".

En una ecuación, un término se refiere a un solo número o una variable, o números y variables multiplicados juntos.

El término Wood agregado corrige la ecuación de dispersión para tener en cuenta la configuración inicial de las especies químicas que se mueven en el fluido. Algo sorprendente, Wood dijo:la teoría también resuelve paradojas en otras teorías con coeficientes de dispersión dependientes del tiempo.

"En la nueva teoría, nunca hay duda sobre qué coeficiente de dispersión debe usarse cuando los solutos químicos se superponen, ", dijo." El ajuste al proceso de difusión se contabiliza automáticamente por la presencia del término adicional ".