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Por qué algunas burbujas suben en zigzag o en espiral
En el siglo XV, el artista, ingeniero y científico del renacimiento italiano, Leonardo da Vinci (1452-1519) registra un fenómeno que le había llamado la atención. Nota que algunas burbujas de aire desvían su trayectoria cuando suben dentro de agua. Algunas circulan en una trayectoria recta y constante, mientras que otras realizan un movimiento periódico en zigzag o en espiral.
Desde el Renacimiento se ha documentado que una burbuja de aire que asciende en el agua se desvía de su trayectoria recta y constante una vez que la burbuja supera un tamaño crítico.
La paradoja
Si un fluido es uniforme y homogéneo, y no tiene otra cosa más que burbujas de aire dentro de él, se esperaría que las burbujas subieran hasta la superficie a causa de la fuerza de empuje y sin obstáculo alguno que les impidiera avanzar o que deformara su trayectoria.
Pero como las leyes de la física que se conocían en la época del Renacimiento no alcanzaban a explicar el comportamiento errático de las burbujas, a la observación de da Vinci se la llamó: la paradoja de da Vinci.
En busca de una respuesta
Una de las explicaciones acerca del desvío de la trayectoria de algunas burbujas de aire en agua estuvo a cargo de los científicos Miguel Herrada de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla de España, y de Jens Eggers de la Escuela de Matemáticas de la Universidad de Bristol de Gran Bretaña.
En el estudio Path instability of an air bubble rising in water publicado en la revista de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (PNAS, según siglas en inglés) del 17 de enero de 2023, estos especialistas informaron algunos de los desafíos numéricos y teóricos que debieron contemplar para explicar los aspectos físicos de la burbuja de aire ascendente.
Para realizar las simulaciones, tuvieron en cuenta factores como la viscosidad, es decir, la resistencia que presenta el agua al movimiento de las burbujas, y la tensión superficial del agua que va variando, modificando la forma y estabilidad de la burbuja al ascender.
En las simulaciones emplearon herramientas informáticas y técnicas matemáticas complejas que les permitirían seguir el movimiento de las burbujas.
Algunas primeras evidencias
El estudió de Herrada y Eggers mostró que cuando una burbuja supera los 0,926 milímetros de radio empieza a presentar inestabilidad en su trayectoria. La razón de la inestabilidad en la trayectoria es que la burbuja, al aumentar de radio, pasa de ser una burbuja esférica perfecta a una deformada.
La deformación produce cambios en la forma en que fluye el agua alrededor de la burbuja, que a su vez genera desequilibrios que conducen a una leve inclinación de la burbuja.
La inclinación, a su vez, da lugar a variaciones de presión alrededor de la burbuja que crean un vaivén, que se repite y da lugar a las trayectorias no lineales que observó da Vinci.
Fue, pues, gracias a las simulaciones de estos científicos que se pudo reproducir con gran precisión el comportamiento de las burbujas observado por Leonardo da Vinci.
Pero ¿qué aporta el conocimiento de este fenómeno?
Aunque parezca un fenómeno menor o sólo la resolución de una curiosidad, su explicación sirve para comprender una amplia variedad de fenómenos naturales y para una serie de aplicaciones prácticas.
En la industria, por ejemplo, se utiliza este conocimiento para optimizar procesos que involucran líquidos y gases en la producción de bebidas, en materiales como la espuma de hormigón, en el tratamiento de la ventilación o en los tratamientos de agua. También tiene aplicaciones en la medicina o en la climatología.
La paradoja de da Vinci demuestra que aún los hechos más cotidianos dan cuenta de fenómenos complejos que desafían nuestra intuición.
Demuestra también la necesidad de seguir explorando para entender mejor el funcionamiento de la naturaleza.
Referencias
Herrada, M. y Eggers, J. (2023). Path instability of an air bubble rising in water. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120 (4). https://doi.org/10.1073/pnas.2216830120
Conicet Santa Fe (14 de mayo de 2019).Los fluidos con burbujas, objetos de estudio en Santa Fe y en Cambridge. https://shorturl.at/n1WMo
Prosperetti, A. (2019). Bubbles [Archivo PDF]. https://shorturl.at/Cctit
