Traducido por el equipo de SOTT.net

Un misterio de la mecánica de fluidos identificado por primera vez por da Vinci ha desconcertado a los científicos durante siglos, y ahora tenemos una respuesta.

STATUE OF LEONARDO DA VINCI.
Hace más de 500 años, Leonardo da Vinci observaba cómo flotaban las burbujas de aire en el agua -como suele hacerse cuando se es un polímata del Renacimiento- cuando se dio cuenta de que algunas burbujas, inexplicablemente, empezaban a girar en espiral o en zigzag en lugar de ascender en línea recta hacia la superficie.

Durante siglos, nadie ha ofrecido una explicación satisfactoria para esta extraña desviación periódica en el movimiento de algunas burbujas a través del agua, que se ha denominado "paradoja de Leonardo".

Ahora, un par de científicos creen haber resuelto por fin el viejo enigma al desarrollar nuevas simulaciones que coinciden con las mediciones de alta precisión del efecto, según un estudio publicado el martes en Proceedings of the National Academy of Sciences.

Los resultados sugieren que las burbujas pueden alcanzar un radio crítico que las empuja hacia trayectorias nuevas e inestables debido a las interacciones entre el flujo de agua que las rodea y las sutiles deformaciones de sus formas.

"El movimiento de las burbujas en el agua desempeña un papel fundamental en una amplia gama de fenómenos naturales, desde la industria química hasta el medio ambiente", afirman en el estudio los autores Miguel Herrada y Jens Eggers, investigadores de mecánica de fluidos en la Universidad de Sevilla y la Universidad de Bristol, respectivamente. "El ascenso boyante de una sola burbuja sirve de paradigma muy estudiado, tanto experimental como teóricamente".

"Sin embargo, a pesar de estos esfuerzos, y a pesar de la fácil disponibilidad de una enorme potencia de cálculo, no ha sido posible conciliar los experimentos con las simulaciones numéricas de las ecuaciones hidrodinámicas completas para una burbuja de aire deformable en el agua", continuó el equipo. "Esto es cierto en particular para la intrigante observación, hecha ya por Leonardo da Vinci, de que burbujas de aire suficientemente grandes realizan un movimiento periódico, en lugar de elevarse a lo largo de una línea recta".
Da Vinci's Note
© Vice
De hecho, las burbujas son tan omnipresentes en nuestra vida cotidiana que puede ser fácil olvidar que son dinámicamente complicadas y a menudo difíciles de estudiar experimentalmente. El ascenso de burbujas de aire en el agua se ve influido por una serie de fuerzas que se entrecruzan -como la viscosidad del fluido, la fricción de la superficie y los contaminantes circundantes- y que deforman las formas de las burbujas y cambian la dinámica del agua que fluye a su alrededor.

Lo que da Vinci observó, y otros científicos han confirmado desde entonces, es que las burbujas de aire con un radio esférico muy inferior a un milímetro tienden a seguir una trayectoria ascendente directa a través del agua, mientras que las burbujas más grandes desarrollan un bamboleo que da lugar a trayectorias periódicas en espiral o zigzag.

Herrada y Eggers utilizaron las ecuaciones de Navier-Stokes, que son un marco matemático para describir el movimiento de fluidos viscosos, para simular la compleja interacción entre las burbujas de aire y su medio acuoso. El equipo pudo determinar con precisión el radio esférico que desencadena esta inclinación (0,926 milímetros), aproximadamente el tamaño de la punta de un lápiz- y describir el posible mecanismo que subyace al movimiento serpenteante.

Una burbuja que ha superado el radio crítico se vuelve más inestable, produciendo una inclinación que cambia la curvatura de la burbuja. El cambio de curvatura aumenta la velocidad del agua alrededor de la superficie de la burbuja, lo que desencadena el movimiento de bamboleo. A continuación, la burbuja vuelve a su posición original debido al desequilibrio de presión creado por las deformaciones de su forma curvada, y repite el proceso en un ciclo periódico.

Además de resolver una paradoja de 500 años de antigüedad, el nuevo estudio podría arrojar luz sobre otras muchas cuestiones relativas al comportamiento mercurial de las burbujas y otros objetos que desafían una categorización fácil.

"Aunque antes se creía que la estela de la burbuja se vuelve inestable, ahora demostramos un nuevo mecanismo, basado en la interacción entre el flujo y la deformación de la burbuja", concluyen Herrada y Eggers en el estudio. "Esto abre la puerta al estudio de pequeñas contaminaciones, presentes en la mayoría de los entornos prácticos, que emulan una partícula a medio camino entre un sólido y un gas".