Sabías que los fluidos se pueden dividir en dos categorías: ordinarios y extraños. Las sustancias volumétricas, como el agua y el alcohol, se comportan más o menos como se espera cuando se bombean a través de un tubo o se agitan con una cuchara. Entre los extraños, incluidas sustancias como pintura, miel, mucosidad, sangre o ketchup hay muchos misterios de comportamiento que han desconcertado a los investigadores durante siglos.
En la década de 1960, los perforadores observaron que ciertos fluidos se solidificaban si fluían demasiado rápido. Sin embargo, hace muy poco tiempo los científicos han explicado el motivo. Un nuevo estudio muestra que el efecto en pequeñas moléculas suspendidas en un fluido que se arremolinan y estiran a medida que aumenta el caudal. En algún momento, el movimiento molecular hace que el flujo del fluido se convierta en un caos, que se agita y ondula en vórtices enrollados que se deslizan unos sobre otros. El estudio explica que la aparición del caos es lo que dificulta el movimiento del fluido.
El equipo del reólogo Arthur Metzner y su estudiante universitario Ronald Marshall quienes trabajaron en campos petrolíferos en la decada de los 60s del siglo pasado. Estos observaron que cuando los ingenieros solían inyectar en el suelo agua mezclada con los llamados fluidos de presión para expulsar el petróleo que contenía polímeros de cadena larga, parecía volverse inesperadamente mucho más viscoso o pegajoso, un efecto que posteriormente se encontró en muchos sistemas similares.
"La viscosidad es una de las cosas más importantes que se quieren predecir, controlar y caracterizar", afirma Sujit Datta, ingeniero químico de la Universidad de Princeton que conoció el trabajo de Metzner y Marshall de 1967 cuando era estudiante de posgrado. Los fluidos presurizados y otros fluidos viscoelásticos, como se conocen, pueden contener moléculas largas y complejas. Los investigadores crearon un análogo bidimensional del suelo arenoso con canales de tamaño submilimétrico que conducían a un conjunto laberíntico de piezas en forma de cruz. A continuación, bombearon líquidos que contenían diversas concentraciones de moléculas a través del sistema.
El equipo observó que, a partir de un determinado caudal, el movimiento del fluido se volvía caótico y desordenado en los espacios entre las cruces, lo que ralentizaba considerablemente el movimiento general del fluido. Los fluidos comunes se ven muy afectados por la inercia, su tendencia a fluir constantemente. A medida que el agua se mueve más y más rápido, las pequeñas corrientes del flujo empiezan a superar a otras partes del fluido, lo que da lugar a vórtices caóticos. En cambio, un fluido complejo, como la miel, tiene muy poca inercia.
Los experimentos del grupo de Cambridge, así como el comportamiento observado por Metzner y Marshall, tuvieron lugar en fluidos en los que los efectos de la inercia eran muy bajos. No se esperaba ninguna turbulencia inercial, pero aun así los investigadores encontraron corrientes caóticas. El segundo tipo de turbulencia tenía que funcionar. El movimiento molecular empuja el líquido y crea un fenómeno llamado turbulencia elástica, que los científicos aún no comprenden del todo.
Para investigar el posible papel de la turbulencia elástica, los experimentadores de Cambridge mezclaron partículas fluorescentes brillantes en sus fluidos para seguir el movimiento, y vieron que los fluidos se desordenaban en los espacios entre las cruces de su disposición. Por primera vez, los científicos han podido combinar la turbulencia elástica con un aumento inesperado de la viscosidad de los fluidos en paisajes porosos, dijo Datta. En el laboratorio de Datt, el fluido viscoelástico se mueve a través de un medio poroso. Cuando el flujo es bajo, el fluido fluye suavemente.
Datta y su coinvestigador Christopher Browne introdujeron sus propias micropartículas fluorescentes en fluidos que contienen polímeros y luego filmaron el movimiento de los fluidos complejos ajustándolos. Los investigadores sabían que debía tratarse de una turbulencia elástica porque el efecto de la inercia en estas sustancias era extremadamente bajo, al menos un millón de veces inferior al umbral típico de la turbulencia inercial.
Lo que más entusiasma a Datta es el posible uso de la turbulencia elástica para limpiar aguas subterráneas sucias. Los investigadores intentaron limpiar los acuíferos subterráneos contaminados bombeando en ellos un fluido que contiene polímeros, lo que debería empujar el agua a través de las rocas subterráneas que atrapan los contaminantes. El nuevo trabajo podría ayudar a los investigadores a formular fluidos para realizar mejor esa tarea, dijo Datta. Los investigadores esperan ahora resolver los problemas que han surgido de su trabajo.
Se podría suponer que los poros más pequeños del medio son los que primero se vuelven turbulentos, pero no parece haber una correlación clara entre el tamaño de los poros y el inicio de la turbulencia elástica, puntualizo Datta.
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