Los fluidos pueden ser aproximadamente dividido en dos categorías: los regulares y los raros. Los regulares, como el agua y el alcohol, actúan más o menos como se esperaba cuando se bombean a través de tuberías o se agitan con una cuchara. Entre los extraños, que incluyen sustancias como pintura, miel, mucosidad, sangre, ketchup y oobleck, acechan una gran variedad de enigmas de comportamiento que han dejado perplejos a los investigadores a lo largo de los siglos.
Uno de esos rompecabezas de larga data, articulado por primera vez hace casi 55 años, surge cuando ciertos líquidos fluyen a través de grietas y agujeros en un paisaje poroso como el suelo esponjoso. Al principio el líquido fluirá normalmente. Pero a medida que aumenta su tasa de flujo, pasará un umbral crítico en el que de repente parecerá que se fusiona: su viscosidad se dispara como un martini que se convierte en melaza.
Un nuevo estudio señala el efecto sobre pequeñas moléculas suspendidas en el fluido que giran y se estiran a medida que aumenta la velocidad del flujo. En algún momento, el movimiento molecular hace que el flujo del fluido se vuelva caótico, surgiendo y ondulando en remolinos intrincados que giran sobre sí mismos. La aparición del caos es lo que impide el movimiento del fluido. El hallazgo podría tener aplicaciones que van desde la impresión 3D hasta la remediación de aguas subterráneas y la recuperación de petróleo.
“Este es un hermoso manuscrito”, dijo Paulo Arratia, quien estudia fluidos complejos en la Universidad de Pensilvania y no participó en el trabajo.
En la década de 1960, el reólogo Arthur Metzner y su estudiante de pregrado Ronald Marshall estaban trabajando en campos petroleros, donde los ingenieros a menudo inyectaban agua mezclada con los llamados fluidos de empuje en el suelo para desplazar el petróleo y ayudar a extraer cada gota de crudo. Los científicos notaron que cuando el fluido empujador, que contiene polímeros de cadena larga, se bombeaba al suelo por encima de una cierta velocidad, inesperadamente parecía volverse mucho más viscoso o pegajoso, un efecto que luego se encontró en muchos sistemas similares.
“La viscosidad es una de las cosas más importantes que desea poder predecir, controlar y caracterizar”, dijo Sujit Datta, un ingeniero químico de la Universidad de Princeton que se encontró con el artículo de Metzner y Marshall de 1967 sobre el tema cuando era estudiante de posgrado. "Pensé: 'Es un poco vergonzoso que, incluso después de décadas de investigación profunda, todavía no tengamos idea de por qué la viscosidad es la que es y cómo explicar el aumento'".
Los fluidos de empuje y otros fluidos viscoelásticos, como se les conoce, pueden contener moléculas largas y complejas. Al principio, los científicos pensaron que tal vez estas moléculas se estaban acumulando en los poros del suelo, como si fueran pelos en el desagüe. Pero pronto se dieron cuenta de que no se trataba de simples obstrucciones. Tan pronto como la tasa de flujo cayó por debajo de un umbral crítico, la obstrucción pareció desaparecer por completo.
Un punto de inflexión llegó en 2015 cuando un grupo del Centro de Investigación Schlumberger Gould en Cambridge, Inglaterra, simplificó el problema. Los investigadores construyeron un análogo bidimensional de suelo arenoso, con canales de tamaño submilimétrico que conducían a un conjunto laberíntico de piezas en forma de cruz. Luego bombearon fluidos que contenían diferentes concentraciones de moléculas a través del sistema. El equipo notó que por encima de un cierto caudal, el movimiento del fluido se volvía desordenado y desordenado en los espacios entre las cruces, lo que ralentizaba en gran medida el movimiento general del líquido.
En teoría, algo como esto debería ser casi imposible. Los fluidos regulares están fuertemente influenciados por la inercia, su tendencia a seguir fluyendo. El agua, por ejemplo, tiene mucha inercia. A medida que el agua se mueve cada vez más rápido, las pequeñas corrientes dentro del flujo comenzarán a dejar atrás otras secciones del fluido, lo que provocará remolinos caóticos.
Un fluido complejo como la miel, por el contrario, tiene muy poca inercia. Dejará de fluir en el momento en que dejes de revolverlo. Debido a esto, tiene problemas para generar “turbulencia inercial”, el tipo ordinario de turbulencia que ocurre en una corriente rápida o debajo de las alas de un avión.
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