Un nuevo enfoque para controlar las propiedades de la turbulencia

La turbulencia, el movimiento de fluidos caracterizado por cambios caóticos en la velocidad y la presión del flujo, ha sido objeto de innumerables estudios de física. Aunque la turbulencia es un fenómeno muy común en la naturaleza, manipularla y controlar sus propiedades hasta ahora ha resultado extremadamente difícil.

Investigadores de la Universidad de Chicago introdujeron recientemente una nueva estrategia para controlar de forma fiable la ubicación, la posición y las propiedades de la turbulencia en entornos experimentales. Esta estrategia, presentada en un artículo publicado en Física Naturalles permitió crear una mancha turbulenta aislada en un ambiente tranquilo.

“La turbulencia se puede encontrar en todas partes. Revolver el café con una cuchara es un buen ejemplo”, dijeron Takumi Matsuzawa (primer autor del estudio) y William Irvine (autor correspondiente del estudio) a Phys.org. “Sin embargo, manipular esta fase fugaz de la materia no es tan fácil como la otra fase convencional de la materia, como la sólida y la líquida. En muchos casos, los límites materiales, como la cuchara del ejemplo anterior, enmascaran la turbulencia que se ha alimentado. Esto nos llevó a preguntarnos si es posible crear una gota de turbulencia aislada y mantenerla en su lugar”.

En su estudio reciente, Irvine y sus colegas se propusieron crear un estado confinado de turbulencia en un entorno inactivo, lo que requeriría un control preciso de las propiedades de la turbulencia. La creación exitosa de una gota tan aislada podría abrir nuevas y emocionantes vías de investigación, lo que permitiría a los físicos explorar preguntas que han sido difíciles de responder utilizando métodos experimentales tradicionales.

“Algunas de las preguntas que podrían explorarse como resultado de nuestro estudio incluyen: ¿qué sucede en la interfaz de los flujos turbulentos y no turbulentos? ¿Cómo se transportan las cantidades conservadas, como la energía y el momento, a través de la interfaz? ¿Existen diferentes tipos de turbulencia dependiendo de la combinación de cantidades conservadas? Irvine y Matsuzawa dijeron.

Muchos libros de texto de física y trabajos teóricos describen la turbulencia como una sopa de movimientos giratorios llamados “vórtices”. Aunque las características únicas de los vórtices siguen siendo bastante esquivas, son esencialmente movimientos en un fluido que se desvían de su flujo general, como corrientes circulares o remolinos.

“Nuestro enfoque propuesto consiste en crear turbulencias colocando vórtices uno a la vez, como Legos”, explicó Irvine. “Nadie sabe realmente qué es un vórtice, pero un anillo de vórtice, también conocido como anillo de humo, es un buen candidato porque es una estructura fluida robusta y puede viajar mucho más allá de los límites del material. Sus propiedades se pueden medir por completo para que podamos saber lo que estamos alimentando en la turbulencia”.

En sus experimentos, Matsuzawa combinó conjuntos de ocho anillos de vórtice en una cámara, disparándolos al centro de un tanque cúbico lleno de agua desde las ocho esquinas. Si estos anillos de vórtice se activaran como un solo conjunto, se dividirían y se redirigirían, debido a un efecto conocido como reconexiones de vórtice. Sin embargo, dispararlos repetidamente, como lo hicieron los investigadores, conduce a la formación de una mancha aislada de turbulencia.

“Nuestro enfoque proporciona principios de diseño únicos para localizar, posicionar y controlar la turbulencia”, dijo Irvine. “Las propiedades de la mancha están definidas por las de los anillos de vórtice; el tamaño está definido por el radio del anillo; la intensidad de la turbulencia interna está definida por la energía transportada por los anillos. Si combinamos bucles helicoidales, también podríamos inyectar los otros bucles conservados con cantidades como el momento angular y la helicidad, cuyos roles en la turbulencia no se conocen bien”.

El trabajo reciente de este equipo de investigadores contribuye en gran medida al estudio de la turbulencia, introduciendo una estrategia prometedora para controlarla experimentalmente de forma fiable. En el futuro, la estrategia presentada en su artículo podría allanar el camino para nuevos estudios que antes habrían sido difíciles de llevar a cabo. Esto, a su vez, podría ayudar a responder preguntas de investigación de larga data sobre los procesos físicos que subyacen a la turbulencia.

“Actualmente estamos investigando cómo la turbulencia evoluciona libremente en un entorno inactivo”, agregó Irvine. “Esta es una pregunta importante sobre cómo se propagan y mueren las fluctuaciones turbulentas. También estamos interesados ​​en estudiar cómo la turbulencia ‘olvida’ lo que se ha alimentado. Se cree que la turbulencia es universal a pequeña escala, incluso si las estructuras de vórtice en la entrada son diferentes. El sistema sería ideal para estudiar esta memoria en turbulencia ajustando la entrada combinando varios bucles de vórtice.