El Mundo de los Fluidos

Por Emmanuel de los Santos Vázquez*

A todos nos ha impresionado alguna vez el sonido del aire, ver las gotas de lluvia caer, jugar con la espuma del agua de mar o quizá tirar un objeto dentro de un recipiente con agua o en algún lago, río, etc. Tú estás en contacto con los “gases” y los “líquidos” todos los días, pero ¿sabías que aún quedan muchas cosas interesantes por descubrir?

Si has derramado un vaso de agua, habrás observado que el agua empieza a “fluir” y al final adquiere una forma extraña y se convierte en un “charco de agua” (y cada charco tiene una forma única). El fenómeno que acabo de describir se llama  “deformación”, y es algo muy parecido a cuando juegas con plastilina y creas desde cubos o bolitas, hasta cosas más complicadas como personas, carros o algún otra cosa. En el caso de las ligas de plástico y los resortes, cuando uno las jala o los comprime éstos se deforman. Cabe mencionar que la acción de jalar o comprimir se llama aplicar un “esfuerzo”. Por último, ¿qué diferencia encuentras cuando tiras “accidentalmente” un vaso de agua y cuando comprimes un resorte? Piénsalo un momento, la respuesta está en la imagen.

La diferencia entre el derramar un vaso de agua y estirar un resorte, es que el agua ya no adquiere la forma del vaso pero el resorte, después de dejarlo de estirar, recupera su forma original. ¡Increíble!

A los materiales que al aplicarles un esfuerzo se deforman y se siguen deformando con el tiempo sin que pase algo que lo quiera llevar a su forma original, se les conoce como “FLUIDOS”. Algunos ejemplos son el agua, el refresco, el aire, la cajeta, el shampoo, el aceite, el vinagre, todos los gases y líquidos que conoces, y aunque no parezca hasta un vidrio es un fluido (más adelante te diré porque).

Ahora imagina que eres juez de un torneo de carreras, y que hay cinco posiciones, en donde en primer lugar tenemos al agua, en segundo la miel, en en el tercer el champu, en el cuarto el alcohol, y en el quinto la cajeta. Siendo tú juez, ¿quién de estos 'competidores' llegará primero?. Quizá tu decisión esté dividida entre el agua y el alcohol, pero ¿por qué no elegiste la miel?. Como sabemos que eres listo, tú me dirías: "no elijo la miel porque la miel irá mucho más despacio que los otros líquidos". Detrás de esta pequeña escena se esconde nuestro artista principal, y se llama viscosidad. Los líquidos viscosos son maravillosos, pues si tú les aplicas un esfuerzo reaccionarán ante éste y tendrán 'memoria' (la deformación quedará allí en el fluido). Si recrearas en tu mente que un liquido está hecho de varias capas del mismo, y vieras el fluido viscoso desde adentro te darías cuenta de que cada capa es un mundo, por lo tanto para moverse todas juntas es complicado.

Vista aumentada de un fluido viscoso.

Y ahora que estamos adentrados en el mundo de los líquidos viscosos, hay unos llamados viscoelásticos (pinturas con las que se pinta tu casa, el champú,etc). Éstos presentan propiedades increíbles, una de ellas es que si tu observaras cómo se mueve con el tiempo notarías que sus líneas son muy extrañas, forman patrones (figuras geométricas semejantes) caprichosos. De hecho si mezclaras fluidos viscoelásticos observarías unos patrones increíbles... pero una vez que se mezclan no hay vuelta atrás. El fluido no recuperará su forma.

Algunos patrones generados por fluidos viscoelásticos

Por si fuera poco los fluidos pueden moverse de una manera ordenada o desordenada; si éstos son ordenados al moverse se trata de un flujo laminar. Si de lo contrario son muy desordenados se le conoce como flujo turbulento.

En la vida real se observa más el flujo turbulento, y a la hora de estudiarlos, los científicos saben que la jornada de estudio será complicada. Lo turbulento presenta una gran dificultad debido a que cada capa lleva una velocidad diferente a las demás. Cada flujo de este estilo es único, no se puede repetir dos veces. Lo que se hace para estudiar este tipo de fluido es medir una velocidad media (un promedio de velocidades).

Ahora bien, pensemos en el siguiente ejemplo: si tú abres la llave de agua del lavabo notarás cómo el líquido antes de irse, genera un remolino. Si tenemos un vaso con agua y una cuchara, y empezamos a agitar el agua con ayuda de la cuchara verás que se forman varios remolinos. Con el tiempo algunos remolinos se juntarán y habrá un remolino más pequeño, y de allí habrá remolinos aun más pequeños hasta que los remolinos desaparezcan. Pareciera que algo se pierde para que los remolinos desaparezcan. De hecho lo que se pierde es energía, por eso de repente ya no ves los “vórtices” (sinónimo de remolino). Nikolayevich Kolmogorov, un importante matemático de la Unión Soviética, propuso una fórmula para calcular cómo se va perdiendo la energía dentro de un remolino hasta desaparecer por completo. Muy interesante, ¿no crees?.

También es interesante el hecho de que en nuestro universo hay vórtices enormes donde el diámetro de ellos es inimaginable; por ejemplo en los tornados y los huracanes los diámetros de éstos es de 10m hasta 10,0000m (100 km), y por su lado, los vórtices en las galaxias llegan a ser hasta de muchísimos kilómetros.

Grandes vórtices en el universo.

Pero los fluidos que siempre están en movimiento, también se ven afectados por algo llamado temperatura (cotidianamente se piensa en qué tan frío o caliente está algo, pero en general la definición de esta palabra es más complicada). A temperaturas realmente muy bajas (más bajas que las que hay en la Antártida) los fluidos hacen cosas extrañas, una de ellas es que pareciera que no se mueven, e incluso unos se convierten en superfluidos (fluidos que no tienen viscosidad, es decir que fluyen de manera instantánea). Un caso especial es el vidrio, el cual es un liquido sobreenfriado. Esto quiere decir que cuando se calienta el vidrio se encuentra en un estado líquido, y al seguir un proceso complicado el vidrio se va enfriando, cuidando que no pase a ser un sólido de manera drástica. Se logra pasar así el punto de solidificación del material, permaneciendo en estado 'líquido'. ¡Increíble!. Por lo que se puede decir que el vidrio es tan viscoso que parece que no se mueve, por lo que comúnmente se confunde con un sólido, aunque en el fondo es un liquido sobreenfriado.

Finalmente... cuando se estudian fluidos se tienen en cuenta leyes de conservación. Esto quiere decir que el fluido aunque pase por ciertos desordenes, conserva ciertas propiedades, o dicho de otra forma siempre a partir de un desorden trata de llegar a un estado de equilibrio (orden).
Estas leyes son:

-Conservación de la masa.

-Conservación del movimiento.

-Conservación de la energía.

Este es el mundo maravilloso de los fluidos, y lo que aquí te expliqué son algunos conceptos básicos pero importantes que han ayudado a desarrollar una rama de la Física que se llama Mecánica de fluidos.

*Físico

emmanuel.vaz@ciencias.unam.mx

FC - UNAM ~ 2015