La turbulencia mueve las cosas más despacio de lo esperado
"La turbulencia es el último gran problema no resuelto de la física clásica", declara Eberhard Bodenschatz, profesor de física que estudia la turbulencia con su grupo de investigadores en la Universidad de Cornell y en el Instituto Max Planck (MPI) para la Dinámica y la Autoorganización, de Alemania.
El grupo se ha acercado un paso más hacia la solución del problema, midiendo cómo dos diminutas esferas de poliestireno colocadas en agua turbulenta se separan, sobre la base de cuán alejadas entre sí se encontraban inicialmente.
La turbulencia ocurre cuando un gas o un fluido, como el aire o el agua, es impelido a alta velocidad o en grandes cantidades, y se caracteriza por modelos de flujo caóticos, aparentemente al azar. Debido a su complejidad, la turbulencia es muy eficaz para mezclar: la solución de dos líquidos, como la crema y el café, se producirá mucho más rápidamente si el flujo es turbulento que si no lo es.
Los físicos observan las partículas en la turbulencia para entender el flujo. Una medida importante es cuán deprisa se separarán dos partículas, o experimentarán "la dispersión del par".
En los años veinte, L. F. Richardson predijo que la dispersión del par debe crecer rápidamente cuando el tiempo se multiplica dos veces por sí mismo (el tiempo al cubo), independientemente de la separación inicial del par. En los años cincuenta, G. K. Batchelor agregó la corrección de que para una escala de tiempo corta, la dispersión del par no es independiente de la separación inicial y debe crecer más despacio cuando el tiempo se multiplica por sí mismo (el tiempo al cuadrado).
 | | Partículas en color falso moviéndose en agua turbulenta. (Foto: Cornell U.) |
Hasta hace muy poco tiempo, la dificultad de fotografiar las diminutas partículas moviéndose con altas velocidades hizo imposible la medición directa de estas predicciones.
Cuando los investigadores planearon inicialmente estos experimentos, no existían cámaras lo bastante rápidas. Afortunadamente, el experimento final usó tres cámaras de alta tecnología digital, capaces de grabar, a 27.000 imágenes por segundo, varios cientos de esferas de poliestireno en un pequeño volumen de agua, simultáneamente. El diámetro de las esferas era aproximadamente de un cuarto del espesor de un cabello humano, un grosor necesario porque así se adaptaban a los remolinos más pequeños en el agua turbulenta.
El experimento demostró que cuando la separación inicial de las esferas es grande con respecto al tiempo de giro de los remolinos, obedecen a la dispersión de Batchelor, con independencia de la severidad de la turbulencia. Sin embargo, si la separación inicial es más pequeña, entonces las partículas siguen la dispersión de Batchelor sólo inicialmente, antes de pasar a un comportamiento que encaja con la ley de Richardson-Obukhov.
Los otros autores del estudio son Haitao Xu (de la Cornell y del MPI para la Dinámica y la Autoorganización), Mickael Bourgoin (del LEGI, Laboratoire des Ecoulements et de Géophysiques Industriels, Francia) y Jacob Berg (del Laboratorio Nacional de Risoe, Dinamarca).
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