En un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters , los científicos exploran cómo pequeños chorros de agua pueden crear oscilaciones periódicas estables en un disco sólido, descubriendo una conexión entre estos movimientos y las ondas que generan y proporcionando información sobre la interacción dinámica del comportamiento de los fluidos.
Un salto hidráulico es un fenómeno que ocurre cuando un líquido que fluye rápidamente encuentra abruptamente una región estancada o que fluye más lentamente. Esta transición repentina da como resultado un cambio en las características del flujo, provocando la formación de un salto o aumento visible en la altura del líquido.
En este proceso, la energía cinética del líquido que fluye rápidamente se convierte en energía potencial, lo que provoca cambios en la velocidad y la profundidad del flujo. Este fenómeno se observa comúnmente en diversos entornos, como cuando un chorro de líquido impacta una superficie, por ejemplo en ríos o aguas abajo de represas.
Ahora, investigadores de Francia han investigado un escenario en el que un salto hidráulico circular sufre oscilaciones periódicas estables en un disco sólido.
Al explicar la motivación del equipo detrás del estudio, el autor principal Aurélien Goerlinger dijo a Phys.org:"El salto hidráulico es un fenómeno omnipresente que parece simple. Sin embargo, es contradictorio ya que la naturaleza prefiere transiciones suaves a las abruptas.
"En consecuencia, el salto hidráulico es difícil de modelar, a pesar de haber sido estudiado desde la época de Da Vinci. Dado que aún quedan muchos aspectos fundamentales por comprender o incluso descubrir, el salto hidráulico sigue siendo un campo de estudio activo para nuestro equipo."
La configuración experimental del estudio implicó generar saltos hidráulicos circulares en un disco sólido utilizando un chorro de agua submilimétrico.
Los investigadores lanzaron un chorro de agua submilimétrico, con un diámetro interior de 0,84 mm, dirigido a un disco de plexiglás con una superficie con bordes en ángulo de 90 grados colocado a 1 cm por debajo del punto de impacto.
Este proceso resultó en la formación de un patrón circular de discontinuidad donde el líquido estableció una película delgada alrededor del punto de impacto. La fina película se engrosó repentinamente a una cierta distancia radial, dando lugar a la característica forma circular del salto hidráulico.
Para ayudar a visualizar este fenómeno, Goerlinger proporcionó una analogía:"Cuando uno abre el grifo de su cocina y mira el fondo del fregadero cerca del impacto del chorro de líquido, podemos observar una pared de líquido aproximadamente circular que separa dos áreas distintas. .
"El área interior, cerca del chorro, es poco profunda pero el flujo es rápido, mientras que el área exterior es mucho más profunda pero el flujo también es mucho más lento. Esta pared líquida se llama salto hidráulico circular".
Luego, los investigadores variaron los parámetros experimentales, incluido el caudal (2 a 3 ml/s) y el radio del disco (1 a 6 cm). Observaron diferentes comportamientos basados en estos parámetros, como saltos estacionarios, estados transitorios con oscilaciones, estados biestables con oscilaciones periódicas y oscilaciones periódicas estables sistemáticas.
El análisis reveló que el período de oscilación no dependía del caudal, sino que mostraba una dependencia lineal del radio del disco.
Curiosamente, para radios de disco de más de 5 cm, los puntos de datos exhibieron dos tendencias lineales distintas con diferentes pendientes, lo que indica dos modos de oscilación distintos, a los que los investigadores se refieren como modos fundamental y armónico.
Los investigadores desarrollaron un modelo teórico para explicar las oscilaciones espontáneas estables observadas, sugiriendo que se deben a la interacción entre el salto hidráulico y las ondas de gravedad superficiales formadas dentro de la cavidad del disco.
Las ondas de gravedad superficiales se propagan a lo largo de la superficie del líquido y se reflejan en el borde del salto hidráulico circular. Esta reflexión contribuye al establecimiento y mantenimiento de las oscilaciones. Además, se dice que estas ondas se amplifican cuando se alinean con uno de los modos de la cavidad del disco.
Sorprendentemente, el modelo teórico de los investigadores no sólo explica las oscilaciones observadas sino que también proporciona capacidades predictivas. Anticipó el acoplamiento de chorros distantes para inducir oscilaciones en fases opuestas, un fenómeno confirmado mediante observación experimental.
En términos prácticos, esto significa que el flujo y reflujo rítmico de un chorro de agua podría influir en las oscilaciones del otro, creando una danza sincronizada donde los picos y valles de un chorro corresponden inversamente a los del otro.
Goerlinger destacó la importancia de su trabajo:"A pesar de una extensa investigación sobre este fenómeno, se ha descubierto que el salto hidráulico circular permanece estacionario en la mayoría de los casos. Sin embargo, nuestro informe es el primero en informar de oscilaciones espontáneas estables del salto hidráulico que se producen mientras el chorro impacta. es estable. Además, logramos construir un modelo que predice el comportamiento de estas oscilaciones."
Al modelar con éxito las oscilaciones periódicas estables, el marco teórico contribuye a una comprensión más profunda de la compleja dinámica involucrada en los saltos hidráulicos.
Esta comprensión puede tener implicaciones para varios campos, incluida la dinámica de fluidos y aplicaciones de ingeniería relacionadas.
"Los saltos hidráulicos son de gran interés en áreas donde se necesita refrigeración y limpieza de superficies. También pueden resultar interesantes en impresoras 3D o de alta velocidad", explicó Goerlinger.
Goerlinger cree que con esta investigación solo están arañando la superficie y explicó que planean continuar investigando en esta área.
"Sólo hemos explorado parcialmente la rica física de este nuevo fenómeno. Aún quedan por investigar los efectos de muchos parámetros experimentales, como las propiedades de los fluidos o la geometría del sustrato.
"Además, nuestro trabajo allana el camino para el estudio de las interacciones entre múltiples saltos oscilantes y las interacciones entre saltos hidráulicos y olas en general", concluyó.
Más información: Aurélien Goerlinger et al, Oscilaciones y modos de cavidad en el salto hidráulico circular, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.194001
Información de la revista: Cartas de revisión física
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