Si vierte agua de una botella, el chorro de líquido a menudo adoptará una estructura similar a una cadena. La física detrás de este curioso fenómeno ha sido objeto de acalorados debates durante más de un siglo, pero ahora este misterio puede haber sido resuelto por los experimentos realizados por antoine deblais, Daniel Bonn y Daniel Jordan en la Universidad de Amsterdam y Neil Ribe en la Universidad de Paris-Saclay.
Cuando un chorro de líquido cae desde una boquilla no circular, puede formar una ola de secciones de líquido anchas, aplanadas y espaciadas uniformemente que se orientan alternativamente a 90° entre sí. Estas secciones están separadas por eslabones más delgados de líquido, lo que hace que la estructura parezca una cadena (ver figura).
En el corazón del efecto está el perfil no cilíndrico del chorro a medida que emerge. Para minimizar la tensión superficial, el chorro intenta convertirse en un cilindro, pero este movimiento se excede y da como resultado una oscilación en la forma del perfil.
Sin embargo, existe un desacuerdo de larga data entre dos teorías que describen cómo ocurren estas oscilaciones. Lord Rayleigh presentó una teoría en 1879 y luego fue modificada por Niels Bohr en 1909. La teoría de Rayleigh describe la oscilación como un efecto lineal, mientras que la teoría de Bohr introduce efectos no lineales que disminuyen la frecuencia de las oscilaciones a medida que aumenta su amplitud.
Bohr gana
Hasta ahora, ningún experimento ha determinado cuál de estas teorías ofrece una descripción más precisa. Para resolver este problema, el equipo de Deblais diseñó una serie de 12 boquillas elípticas con distintos tamaños y excentricidades. Luego midieron tanto las frecuencias como las amplitudes de las estructuras de cadena que se formaron cuando vertieron agua a través de las boquillas a diferentes velocidades de flujo. Si bien los patrones que observaron discreparon levemente con las predicciones de Rayleigh, se alinearon más fuertemente con la teoría de Bohr.
Patrones ocultos encontrados en la superficie del agua
Sobre la base de sus resultados, Deblais y sus colegas construyeron simulaciones numéricas de las oscilaciones de la cadena líquida, y nuevamente encontraron una fuerte concordancia con las predicciones de Bohr. Sus resultados también ayudan a explicar por qué la superficie de cada chorro se convirtió en hoyuelos durante sus experimentos, otra característica interesante de los chorros de agua cotidianos. El equipo ahora espera extender los experimentos y simulaciones para considerar líquidos distintos del agua, así como boquillas con formas más complejas.
Ahora que se ha establecido una teoría básica, los experimentos futuros podrían ofrecer información útil en una amplia gama de aplicaciones donde los líquidos se disparan desde boquillas elípticas, incluida la impresión de chorro de tinta y la metalurgia. La investigación adicional también podría conducir a nuevas técnicas para mejorar la eficiencia de la combustión, suprimir el ruido o mejorar el control sobre los propulsores. En otros lugares, los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor la aparición y el posible tratamiento de ciertos problemas médicos, incluidas las enfermedades urológicas.
La investigación se describe en Fluidos de revisión física.
