Un sevillano, una cocina y un chorro líquido supersónico

Antonio Barrero Ripoll, investigador principal del grupo de de investigación en Mecánica de Fluidos de la Universidad de Sevilla es uno de los grandes especialistas españoles en física de fluidos, especialmente en micro y nanofluidos. José Manuel Gordillo Arias de Saavedra es uno de los miembros de su grupo de investigación, que lidera el proyecto de investigación “Mecanismos de generación de gotas, burbujas y espumas de tamaño micrométrico con aplicaciónes a procesos industriales,” en el que colaboran Detlef Lohse, de la Universid de Twente, Países Bajos, y su grupo, otro de los grandes investigadores europeos en micro y nanofluidos. José Manuel Gordillo, Detlef Lohse y sus colaboradores han publicado un interesante artículo en Physical Review Letters (PRL) donde demuestran que el impacto de un objeto pesado en la superficie de un líquido produce una cavidad de aire como estela del objeto que se conecta con el exterior a través de un estrecho cuello que colapsa y durante dicho colapso aparece un flujo del aire hacia el exterior que alcanza velocidades supersónicas. Como muestra la figura que abre esta entrada, se alcanzan números de Mach (Ma en la figura) superiores a la unidad (el número de Mach es el cociente entre la velocidad del aire que sale del cuello y la velocidad del sonido). Este experimento ya había sido realizado y estudiado por Worthington en 1897, pero entonces observó un flujo de aire a muy alta velocidad y nunca soñó que pudiera llegar a ser supersónico. Toda una sorpresa, sin lugar a dudas, ya que sorprende que se alcancen velocidades supersónicas en un experimento que puedes repetir fácilmente en tu cocina. Eso sí, para verificar que el flujo realmente es supersónico necesitarás cierto instrumental de laboratorio bastante avanzado.

El artículo técnico es Stephan Gekle, Ivo R. Peters, José Manuel Gordillo, Devaraj van der Meer, Detlef Lohse, “Supersonic Air Flow due to Solid-Liquid Impact,” Phys. Rev. Lett. 104: 024501, Published January 11, 2010 [ahora mismo el artículo es gratis, pero también puedes descargartelo en ArXiv, 29 Sep. 2009, y en la página web de Lohse). Se han hecho eco de este artículo muchísimos medios [hasta menéame]. La figura siguiente está extraída de Daniel P. Lathrop, “Making a supersonic jet in your kitchen,” Physics 3: 4, January 11, 2010 [enlace web], donde podréis disfrutar de un interesante vídeo. Los que de verdad quieran enterarse de qué va todo esto deberían recurrir al artículo Stephan Gekle, J. M. Gordillo, “Generation and Breakup of Worthington Jets After Cavity Collapse,” ArXiv, 29 Jul 2009 (enviado a J. Fluid Mech.), que además de la teoría, presenta resultados de simulaciones numéricas y está profusamente ilustrado con fotografías de este tipo de experimentos.

Como muestra la figura que abre esta entrada, el objeto al penetrar en la superficie del líquido un objeto con una velocidad de 1 m/s (3,6 km/hora) produce un cráter rodeado por una corona líquida con gotas en la superficie. El cráter se alarga conforme el objeto se hunde, formando un tubo que conecta el objeto con el exterior. Este tubo acaba cerrándose (colapsa). Justo en el momento en que este tubo colapsa (se cierra) se produce un chorro de aire supersónico que José Manuel y sus colaboradores han logrado medir con precisión. En la cavidad tras el objeto la presión es prácticamente la atmosférica (1,02 atm.). Tras el colapso completo del cuello se producen dos chorros de líquido, uno interior a la cavidad de aire en la estela del objeto que se hunde y otro hacia el exterior de la superficie del fluido. Estos chorros fueron descubiertos por Worthington a finales del s. XIX y por ello llevan su nombre.

¿Cómo han medido la velocidad del aire y han comprobado que es supersónica? Han utilizado partículas de humo que han iluminado con un láser (Larisis Magnum II, 1500mW) desde la parte de arriba (por donde entra el objeto) y han filmado el movimiento de las partículas de humo mediante una cámara de alta velocidad (Photron SA1.1) con la que han alcanzado 15.000 fotogramas por segundo. Gracias a la comparación entre fotogramas sucesivos han sido capaces de estimar con precisión la velocidad del aire. Las simulaciones numéricas permiten verificar que se han alcanzado velocidades supersónicas y son las que se han sido utilizadas para estimar la presión del aire dentro de la cavidad. Estas simulaciones se han realizado utilizando el método de elementos de contorno (Boundary Element Method). Un gran trabajo experimental, teórico y numérico, sin lugar a dudas.

El colapso del cuello y la geometría de la cavidad tras el objeto dependen fuertemente de la geometría (sección transversal) del objeto que colapsa. La belleza de este tipo de colapsos queda patente en el siguiente vídeo extraído de Oscar R. Enriquez, Ivo R. Peters, Stephan Gekle, Laura Schmidt, Michel Versluis, Devaraj van der Meer, Detlef Lohse, “Collapse of Non-Axisymmetric Cavities,” ArXiv, ArXiv, 14 Oct 2009. ¡Qué lo disfrutéis!