El impacto de un pulso láser en una gotita de agua

Dibujo20160303 dyed water drop hit by a laser pulse propagating from left to right phys rev applied

El vídeo con una cámara estroboscópica de alta velocidad es espectacular. Un pulso láser con una energía de milijulios y una duración de nanosegundos vaporiza una gota de agua coloreada con un tamaño milimétrico. El impacto del pulso de luz deposita una energía por unidad de masa en la gota de entre 0,1 y 1 MJ/kg (megajulio por kilogramo), comparable al calor latente de vaporización. Como consecuencia, la superficie de la gota se vaporiza en el lugar del impacto lo que provoca un cambio de forma de la gota (para baja energía) o su fragmentación (atomización) en gotas más pequeñas.

Los artículos con el análisis del vídeo son Alexander L. Klein et al., “Drop Shaping by Laser-Pulse Impact,” Phys. Rev. Applied 3: 044018 (28 Apr 2015), doi: 10.1103/PhysRevApplied.3.044018; Alexander L. Klein et al., “Laser impact on a drop,” Phys. Fluids 27: 091106 (2015), doi: 10.1063/1.4930907, arXiv:1605.02069 [physics.flu-dyn]. El vídeo participó en el Gallery of Fluid Motion de 2014, “V0016: Laser impact on a drop,” doi: 10.1103/APS.DFD.2014.GFM.V0016. Yo ya lo había olvidado, pero lo ha recordado hoy JM, ‎@jm22381, en Twitter.

PS: César Tomé, @EDocet, me ha comentado por Twitter que el título original, “Un pulso de láser que vaporiza una gotita de agua”, no es correcto; la gota se deforma, desplaza, fragmenta y vaporiza solo en una parte muy pequeña; el título original sugería que la gota se vaporiza en su totalidad, lo que no es cierto. Por ello he cambiado el titular a algo más aséptico (inspirado en el título de los artículos citados).

Como ocurre a veces en Twitter, quien tiene una pregunta sobre física suele citarme en busca de una respuesta. En este caso fue Lucas Fleitas‏, @LucasmFleitas. Sin que sirva de precedente, le contesté tras leer el resumen del artículo, que más tarde pude leer con atención.

[youtube=https://www.youtube.com/watch?v=s4ITzfOLAGA]

Te recomiendo disfrutar del vídeo de youtube que participó en la Gallery of Fluid Motion de 2014. ¡Espectacular! Además, explica muy bien el experimento y sus parámetros.

Dibujo20160303 Sketch of the experimental setup in top view phys rev applied

El láser tiene una longitud de onda de 532 nm (como los usados en nanolitografía en el ultravioleta extremo) y produce pulsos con una duración de unos 10 ns. Su energía se puede controlar entre 0 y 120 mJ gracias a un atenuador óptico. Mediante una lente se puede enfocar el láser desde en un punto pequeño en la superficie de la gota hasta un tamaño similar al doble del diámetro de la gota.

Dibujo20160303 Laser pulses impacting from the left on magenta-dyed water drops phys fluids

La gota de agua coloreada (de magenta) tiene un radio de 0,9 mm y está en caída libre mientras recibe la luz del láser. La longitud de penetración típica de la luz láser en la gota es de 10 μm (mucho más pequeña que el radio de 900 μm). En el impacto la temperatura de esta fina capa de líquido crece de unos 293 K (temperatura ambiente) a unos 393 K (temperatura de ebullición).

Dibujo20160303 Radial expansion of the drop experiments and simulations with inset for We 60 phys fluids

El artículo en Physical Review Applied discute en bastante detalle la física del impacto. Los interesados en más detalles técnicos disfrutarán del análisis de las escalas de tiempo involucradas. Además, se incluyen simulaciones por ordenador (muy simplifcadas) en función del número de Weber que se ajustan bastante bien a los resultados experimentales (compara las curvas continuas y los datos experimentales en esta figura).



11 Comentarios

  1. francis se que se esta trabajando en armas laser de gran tamaño, podria existir en un futuro de unas decadas armas laser portatiles como las de star trek?

    1. Alicia, el problema es la batería, quiero decir la fuente de la energía. Un arma láser montada en un camión es factible (ya existen). Montada en la mochila de un humano es poco práctica (solo permite un disparo). Tipo pistola de Star Trek una utopía. Pero las baterías están avanzando mucho.

        1. Alicia, ¿un límite teórico? Una tecnología puede tenerlo, pero hay muchas tecnologías, cada una con el suyo, y en un futuro pueden aparecer nuevas que aún no podemos concebir. Nunca digas nunca jamás. Recuerda, en 1890 se podía demostrar matemáticamente que era imposible que los pájaros volaran. Pero los pájaros volaban.

    2. Alicia, aunque a Michio Kaku se le está yendo un poco la cacharraca últimamente, tiene un libro muy interesante donde responde a todas estas preguntas respecto a cómo y cuando se podrán realizar las proezas que vemos en las pelis de ciencia ficción (y también habla de las armas láseres, coincidiendo con lo que comenta Francis) . Se llama Física de lo imposible Es muy entretenido y se aprende un montón.

  2. Me permito responder. Pues viendo la pasta que se dedica, por ejemplo al F35 o cualquier otro ingenio bélico, comparado con todos los grandes proyectos de investigación actuales y pasados, no me cabe duda que se fabricará la estrella de la muerte.

  3. Cada vez que Francis no responde a una pregunta, o dice que su blog no es para educar, un gatito muere en el mundo.
    Cada vez que dice que hay que leerse los artículos, un perezoso cae fulminado de su árbol, de un ataque al corazón.
    😉

    Es broma, con miles de seguidores es imposible contestar a preguntas, obviamente.

  4. Primero, gracias como siempre por la entrada Francis, y luego una pequeña pregunta:
    ¿532 nm no corresponden a luz verde “común”?

    1. Gracias, Unoquepasaba, por estar atento. La luz del láser es de 532 nm, pero se hace pasar por duplicador de frecuencia, con lo que la luz que incide sobre la gota tiene una longitud de onda igual a la mitad, 226 nm (en concreto, el láser es un Nd∶YAG modelo Evergreen 140 de Quantel); este tipo de láser se usa en nanolitografía en el ultravioleta extremo gracias a varios duplicadores de frecuencia que permiten reducir la longitud de onda a decenas de nanómetros. Añadiré una figura con el esquema experimental para aclarar este punto.

    1. Juan, un sinsentido matemático. Todas estas propuestas sobre el papel tienen un problema: no tienen la realidad (la masa del láser, la del combustible necesario para moverlo y hacerlo funcionar, etc.). Las matemáticas permiten lo imposible. La realidad les pone límites.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 3 marzo, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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