Nueva explicación del porqué podemos correr encima de una piscina con agua y maicena

Este vídeo de El Hormiguero muestra cómo podemos correr por encima de la superficie de una piscina llena de un fluido no newtoniano; por ejemplo, agua mezclada con harina de maíz (maicena). Este tipo de fluido se solidifica cuando se le aplica una deformación rápida (por eso hay que mover los pies rápido para no hundirse). Se creía que la explicación era el incremento de la viscosidad debido a la relación no lineal entre la tensión cortante y la velocidad de deformación. Sin embargo, el nuevo artículo de Waitukaitis y Jaeger aparecido en Nature propone que la clave de la solidificación rápida es la compresión de las partículas en suspensión. Según ellos, al caminar por encima de la mezcla no se pueden producir esfuerzos suficientes para que la no linealidad de la reología del fluido no newtoniano pueda explicar el fenómeno. Su nuevo hipótesis ha sido confirmada con experimentos en los que han sumergido una barra cilíndrica en contenedores llenos de una mezcla de agua y maicena. Utilizando cámaras de alta velocidad, imágenes de rayos X y sensores de fuerzas han logrado desentrañar la física de este curioso fenómeno. Nos lo cuenta Martin van Hecke, “Soft matter: Running on cornflour,” Nature 487: 174–175, 12 July 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Scott R. Waitukaitis, Heinrich M. Jaeger, “Impact-activated solidification of dense suspensions via dynamic jamming fronts,” Nature 487: 205–209, 12 July 2012.

El nuevo estudio experimental concluye que, por debajo del lugar del impacto de la barra en el fluido, aparece un frente de solidificación de rápido crecimiento que se extiende hasta tocar fondo y formar un columna sólida. El crecimiento de este núcleo sólido es debido a la aglomeración de las partículas sólidas secas en la solución líquida; como en el tráfico rodado, se forman atascos entre las partículas que gracias a la ley de conservación del momento forman un sólido rígido. Clave en el proceso son los atascos entre las partículas. Cuando no se camina suficientemente rápido, los atascos se rompen y las partículas fluyen fuera del núcleo sólido, con lo que el candidato a corredor sobre las aguas se hunde en ellas, e incluso puede nadar (aunque no sin dificultad).

La fuerza que detiene el hundimiento del cilindro que penetra en el fluido presenta dos picos, como muestra la parte izquierda de esta figura. El fuerte pico inicial corresponde al crecimiento rápido de la zona solidificada y el segundo pico, mucho más débil, corresponde al hundimiento de la región solidificada hasta tocar fondo en la piscina. Las imágenes de los experimentos muestran claramente la presencia del núcleo rígido y la cámara de alta velocidad permite trazar su caída hasta el fondo. Cuando el cilindro se para, o si incide en la superficie lentamente, el núcleo rígido transitorio tiene tiempo para descomponerse y éste se hunde hasta el fondo.

El nuevo artículo, además de resolver una cuestión curiosa muestra el papel fundamental de las zonas de compresión y solidificación en la reología de los fluidos complejos. La componente granular de estos fluidos se muestra clave para entender su comportamiento y no basta con las leyes clásicas de la reología, además hay que aplicar los nuevos resultados de la física de medios granulares.

Las aplicaciones de este tipo de fluidos son muchas, por ejemplo, en la Universidad de Málaga se ha desarrollando un badén “inteligente” de velocidad (BIV), que es liviano para el conductor que respeta el límite de velocidad, pero se endurece a velocidades excesivas. Mi compañero Francisco José Rubio de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la UMA ha solicitado la patente de este badén inteligente que utiliza un fluido no-newtoniano que presenta un comportamiento reológico llamado reoespesamiento (shear-thickening en inglés). Este tipo de materiales también se utilizan en chalecos antibalas ligeros y en muchas otras aplicaciones.

7 Comentarios

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AlbertAlbert

“El Hombre de Negro le pasó este estudio a Waitukaitis y Jaeger para que lo copiaran,……”

CarlosCarlos

Muy interesante, sin duda. Especialmente el trabajo experimental asociado.

PD: Francis, en mecánica de fluidos es un error usual lo de “comprensión”. Se trata de “compresión”. Los ingenieros que estudiamos estas cosas somos muy tikismikis, que le vamos a hacer jaja

emulenewsemulenews

Gracias, Carlos, los dedos me han jugado una mala pasada con el teclado (solo la primera vez puse la “n”).

Davidmh

Cuando estuve estudiando los fluídos no newtonianos, hace dos años y medio, ya leí esta explicación. Posiblemente no se tuviera la evidencia empírica y el detalle que estos señores han conseguido, pero al menos conceptualmente, ya estaba.

Después de leer eso, yo me dediqué a estudiarlo al microscopio. En este caso, depositaba una fina capa de maicena disuelta entre dos portas de vidrio y los hacía deslizar el uno sobre el otro (a cizalla). Cuando se movía despacio, todo fluía sin problemas, y se veía que los gránulos (formando una monocapa) estaban perfectamente separados por láminas de agua. Sin embargo, al moverlo deprisa, los gránulos comenzaban a pegarse unos a otros, sin agua que lubrique entre ellos, y creando una gran red sólida.

Es curioso notar que la acrección de los gránulos comenzaba en las regiones en las que había defectos, tales como burbujas, arañazos en el vidrio, trozos de hilo… típicamente del tamaño de un gránulo o la mitad. A partir de esos puntos se forman las redes sólidas, y, por lo que creo recordar, parecía haber huecos con aspecto de fase líquida.

Los datos no son precisos porque la observación es a ojo y el movimiento y la medición de esfuerzos con el dedo, pero es lo que tiene el laboratorio casero. :(

No obstante, esto me está dando ideas para hacerlo más en serio…

Scott

Me gustó mucho este comentario. Cómo alcanzaste hacer esto con el microscopio? Tienes un video que me puedes mandar? Siempre hemos querido ver la solidificación en vivo. De hecho, en estes días estamos jugando con varias herramientas con este fin. Pero no habíamos pensado en simplemente usar un microscopio. Brillante!

Davidmh

No llegué a hacer vídeo, posiblemente porque usara el micro que no tiene cámara, pero mañana puedo intentarlo. A ver si saco algo decente.

ErnestoErnesto

Y lo del badén o tope (así les llamamos en México) es la respuesta de la ciencia a la clásica pregunta de nosotros los profanos: ¿qué provecho le hayan a estudiar esas cosas?

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