Para cualquiera que haya visto las olas del océano o el agua en rápido movimiento, las turbulencias pueden parecer puro caos. Las fuertes corrientes se retuercen y agitan, creando remolinos que se dividen en remolinos cada vez más pequeños hasta que su energía finalmente se desvanece.
Durante décadas, los científicos han creído que este proceso sigue un patrón predecible. En ambientes tridimensionales como el océano y la atmósfera, se cree que la energía fluye de estructuras más grandes a estructuras más pequeñas. Una nueva investigación sugiere que es posible que la regla no sea tan fija como antes.
Investigadores de la Universidad de Pittsburgh, en colaboración con colaboradores de la Universidad de Turín (Italia), han descubierto que la dirección del flujo de energía en las turbulencias en realidad se puede cambiar. Sus hallazgos, publicados Avances de la ciencia El artículo “Dirigir el flujo de energía turbulenta a través de la geometría tensorial en un flujo bidimensional” puede tener implicaciones para la medicina, la gestión costera y la ciencia climática.
Desafiando una teoría fundamental del caos
El trabajo fue dirigido por Lei Fang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Escuela de Ingeniería Pitts Swanson, junto con los estudiantes de doctorado Jinyu Si, Filippo De Lillo y Guido Boffetta.
“Desde 1941, con la investigación de Andrey Kolmogorov, se ha predicho el flujo de energía. En el flujo 3D, como en una masa de agua, la energía se mueve de escalas grandes a pequeñas. Para el flujo 2D, que ocurre en capas delgadas de agua, ese flujo se invierte, de pequeño a grande”, dijo Fang.
Para investigar si este comportamiento podría cambiarse, Fang abordó el problema desde una perspectiva diferente.
“Para comprender este concepto abstracto a diferentes escalas”, añadió Fang, “reformulo el proceso de flujo de energía en un proceso mecánico basado en la ecuación de Navier-Stokes. Y como es un proceso mecánico, puedo intentar revertirlo cambiando la geometría entre desplazamiento y fuerza”.
Su enfoque se basó en tensores, objetos matemáticos comúnmente utilizados para describir cantidades como tensión y deformación. Estas propiedades juegan un papel importante en la formación de turbulencias.
Al crear un marco geométrico basado en alineaciones de tensores, Fang descubrió que la dirección de la transferencia de energía depende de cómo interactúan estos tensores. Bajo ciertas condiciones, el flujo de energía puede redirigirse en lugar de seguir el camino tradicionalmente esperado.
“Demostramos que podemos crear flujos turbulentos que exhiben un flujo de energía hacia adelante o hacia atrás”, dijo Fang. “Nuestro marco también se extiende a la escala 3D”.
Los experimentos confirman la teoría.
La idea se basa en el trabajo anterior de Fang que muestra que pequeños nadadores pueden alterar las fuertes corrientes oceánicas. En el nuevo estudio, centró su atención en el flujo de fondo y cómo interactúa con fuerzas externas.
Los investigadores han descubierto que cuando estas fuerzas se alinean de determinadas maneras, pueden cambiar la forma en que se mueve la energía a través de un sistema turbulento.
Para probar la teoría, Fang y Si realizaron experimentos en el laboratorio utilizando una fina capa de agua impulsada por fuerzas electromagnéticas. Un campo magnético horizontal produjo un flujo bidimensional, cuando se utilizó una serie de varillas para perturbarlo. Las partículas trazadoras suspendidas en una fina capa de electrolito permitieron al equipo visualizar y medir el movimiento del fluido.
Los resultados experimentales coincidieron con las simulaciones por computadora y respaldaron la predicción de la nueva estructura.
Posibles aplicaciones de la medicina de los océanos
La capacidad de influir en los flujos de energía turbulentos puede llegar a proporcionar beneficios prácticos en diversos campos.
“Con este marco teórico, descubrimos que podemos utilizar límites físicos tan pequeños como decenas de metros para romper las barreras de transporte oceánico que se extienden por kilómetros”, dijo Fang. “Es posible cambiar la dirección del flujo de energía, lo que puede mejorar la forma en que las aguas residuales u otros contaminantes se dispersan a lo largo de la costa”.
Los hallazgos también podrían resultar útiles en medicina, particularmente en sistemas de microfluidos donde los fluidos se mueven a través de canales de menos de un milímetro. A esta escala, los fluidos se mezclan mal porque la turbulencia está prácticamente ausente.
“En flujos de microfluidos de menos de un milímetro, donde la viscosidad de un fluido dificulta la mezcla porque hay poca o ninguna turbulencia”, añadió Fang, “podemos alinear fuerzas y desplazamientos para crear una ‘turbulencia de bajo número de Reynolds’ débil, que puede acelerar la mezcla de agentes”.
Implicaciones para la modelización climática
La investigación también puede contribuir a futuras mejoras en las simulaciones climáticas.
Las corrientes oceánicas y la circulación atmosférica desempeñan un papel importante en la regulación de la temperatura global. A medida que el cambio climático altera los patrones del viento y el comportamiento de los océanos, las fuerzas que actúan sobre estos sistemas también pueden afectar la forma en que la energía se mueve a través de flujos turbulentos.
“Aunque en este momento es especulativo, la investigación podría mejorar los modelos climáticos”, dijo Fang. “A medida que el cambio climático altera los patrones del viento y las corrientes oceánicas, la presión del viento y las corrientes pueden cambiar la dirección del flujo de energía. Comprender las fuerzas que impulsan estos cambios puede conducir a modelos más precisos”.
Aunque se necesita investigación adicional, la investigación sugiere que uno de los supuestos más establecidos de la teoría de la turbulencia puede ser más flexible de lo que los científicos alguna vez creyeron. En lugar de simplemente seguir un camino predeterminado, la energía turbulenta puede dirigirse y redirigirse en las condiciones adecuadas.
