Descubrimiento desafía teoría de turbulencia de 80 años y abre nuevas posibilidades

La turbulencia, un fenómeno que se observa en el movimiento de las olas del océano y en corrientes rápidas, ha sido considerado durante mucho tiempo como un proceso caótico y predecible. Sin embargo, un nuevo estudio de investigadores de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Turín en Italia ha desafiado esta noción, revelando que la dirección del flujo de energía en la turbulencia puede ser alterada. Este hallazgo, publicado en Science Advances, podría tener implicaciones significativas en campos como la medicina, la gestión costera y la modelación climática.

El trabajo estuvo liderado por Lei Fang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Swanson School of Engineering de Pitt, junto con el estudiante de doctorado Xinyu Si, Filippo De Lillo y Guido Boffetta. Según Fang, "desde 1941, con la investigación de Andrey Kolmogorov, se predijo que el flujo de energía en corrientes tridimensionales, como en cuerpos de agua, va de estructuras más grandes a más pequeñas. Sin embargo, en flujos bidimensionales, que ocurren en capas delgadas de agua, ese flujo se invierte, pasando de estructuras más pequeñas a más grandes".

Para investigar si este comportamiento podría ser modificado, Fang adoptó un enfoque diferente al problema. "Para entender este concepto abstracto a diferentes escalas, recasté el proceso de flujo de energía en un proceso mecánico basado en las ecuaciones de Navier-Stokes. Dado que este es un proceso mecánico, podría intentar revertirlo cambiando la geometría entre desplazamiento y fuerza".

Su enfoque se basó en tensores, objetos matemáticos comúnmente utilizados para describir cantidades como el estrés y la deformación, que juegan un papel fundamental en la formación de turbulencia. Al desarrollar un marco geométrico basado en la alineación de tensores, Fang descubrió que la dirección de la transferencia de energía depende de cómo interactúan estos tensores. En ciertas condiciones, el flujo de energía puede ser redirigido en lugar de seguir su camino tradicionalmente esperado.

El experimento realizado por Fang y Si utilizó una capa delgada de agua impulsada por fuerzas electromagnéticas, donde un campo magnético horizontal generó un flujo bidimensional. A través de partículas trazadoras suspendidas en una capa delgada de electrolito, el equipo pudo visualizar y medir el movimiento del fluido, confirmando que los resultados experimentales coincidían con las simulaciones por computadora y apoyaban las predicciones del nuevo marco.

La capacidad de influir en el flujo de energía turbulenta podría proporcionar beneficios prácticos en diversas áreas. Fang mencionó: "A través de este marco teórico, encontramos que podemos utilizar pequeñas barreras físicas de hasta diez metros para perturbar barreras de transporte oceánico que abarcan kilómetros. Es posible cambiar la dirección del flujo de energía, lo que puede mejorar la dispersión de aguas residuales u otros contaminantes a lo largo de una costa".

Las aplicaciones de este descubrimiento también podrían extenderse a la medicina, especialmente en sistemas microfluídicos donde los fluidos se mueven a través de canales más pequeños que un milímetro. En esas escalas, los líquidos tienden a mezclarse mal debido a la ausencia de turbulencia. Fang destacó: "En flujos microfluídicos de menos de un milímetro, donde la viscosidad de un líquido dificulta la mezcla porque hay poca o ninguna turbulencia, podríamos alinear las fuerzas y el desplazamiento para generar una turbulencia débil, lo que podría acelerar la mezcla de agentes".

Además, esta investigación podría contribuir a futuras mejoras en las simulaciones climáticas. Las corrientes oceánicas y la circulación atmosférica juegan un papel crítico en la regulación de las temperaturas globales. Con el cambio climático alterando los patrones de viento y el comportamiento del océano, las fuerzas que actúan sobre estos sistemas también podrían afectar cómo se mueve la energía a través de flujos turbulentos. Fang concluyó: "Aunque en este momento es hipotético, la investigación podría mejorar la modelación climática. A medida que el cambio climático altera los patrones de viento y las corrientes oceánicas, el estrés del viento y las corrientes podrían cambiar la dirección del flujo de energía".

Este estudio sugiere que una de las suposiciones más establecidas sobre la teoría de la turbulencia podría ser más flexible de lo que los científicos habían creído. En lugar de seguir caminos predeterminados, la energía turbulenta podría ser guiada y redirigida bajo las condiciones adecuadas.