Chorros líquidos viscosos en colisión

Este vídeo muestra la colisión entre sí de dos chorros líquidos viscosos, cuando uno de ellos tiene una sección elíptica variable (controlada por un actuador piezoeléctrico). El resultado son un gran número de fenómenos (formación de gotas, puentes líquidos delgados, estructuras poligonales, etc.). La variación de la sección transversal de uno de los chorros viene controlada por la llamada excentricidad (∈). Los parámetros adimensionales más importantes son los números de Weber (We) y Ohnesorge (Oh), que relaciona con la tensión superficial con las fuerzas inerciales y con las viscosas, resp. Este curioso vídeo participa en la APS-DFD Gallery of Fluid Motion 2013. Más información en Bavand Keshavarz, Gareth H. McKinley, “When Viscous Jets Collide; Liquid Chains, Threads, Webs, Fishbones and Balloons,” arXiv:1310.5196 [physics.flu-dyn], 19 Oct 2013.

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Reconstrucción del flujo cardíaco en el corazón de un paciente concreto

Visualizar el flujo de sangre en el interior del ventrículo y la aurícula izquierdas de un paciente concreto en tiempo real es posible si se reconstruye su geometría tridimensional en movimiento con tomografía y luego se utiliza física computacional de fluidos. El resultado tiene un enorme interés diagnóstico, pues permite que el cardiólogo vea lo que parece imposible de ver. A mí me ha gustado mucho el trabajo de Christophe Chnafa, Simon Mendez, Franck Nicoud, “Elucidating the turbulence nature of the intracardiac flow: from medical images to multi-cycle Large Eddy Simulations,” arXiv:1310.3199 [physics.flu-dyn], 11 Oct 2013.

Alucinantes gotas de agua que levitan con ultrasonidos

Este vídeo ilustra la sorprendente geometría que adoptan los modos de vibración una gota de líquido que levita gracias a un campo de ultrasonidos. El movimiento a cámara lenta ilustra cómo los patrones en forma de estrella (de entre 2 y 8 puntas) se alternan entre dos configuraciones con la misma simetría. La parte final del vídeo muestra un comportamiento caótico realmente espectacular. Una gota que levita en un campo acústico forma patrones con forma de estrella resultado del equilibrio de fuerzas entre la presión ejercida por el campo, que tiende a aplanar la gota, y la tensión superficial de la gota, que tiende a volver esférica la gota. Cuando la intensidad de campo es modulada de forma periódica se produce una inestabilidad que da lugar a la formación de una onda que se extiende de forma radial en la gota, dándole una forma de estrella. El vídeo participa en el concurso Gallery of Fluid Motion de la revista Physics of Fluids de la APS (Sociedad Americana de Física). Más información en Weiyu Ran, Steven Fredericks, “Shape oscillation of a levitated drop in an acoustic field,” arXiv:1310.2967 [physics.flu-dyn], 10 Oct 2013.

Comparan experimentos y simulación SPH para saltos hidráulicos

Dibujo20130724 Experimental device in action - empty tank - partially filled with water

Los que trabajamos en métodos numéricos disfrutamos con los artículos que comparan resultados numéricos con resultados experimentales. Me han gustado los resultados sobre saltos hidráulicos y rotura de ondas obtenidos en la ETSI Navales de la Universidad Politécnica de Madrid. Más abajo os presento un vídeo de los resultados experimentales (su web incluye muchos más). Supongo que los lectores poco interesados en física computacional de fluidos no apreciarán este tipo de estudios comparados, pero quizás alguno sea aficionado a los gráficos por ordenador y a la simulación de fluidos para películas de Hollywood, en cualquier caso, no me resisto a recomendar la lectura de los dos artículos de Benjamin Bouscasse, Andrea Colagrossi, Antonio Souto-Iglesias, José Luis Cercós Pita, “Mechanical energy dissipation induced by sloshing and wave breaking in a fully coupled angular motion system. Part II: Experimental Investigation,” arXiv:1307.6064, 23 Jul 2013, y “Mechanical energy dissipation induced by sloshing and wave breaking in a fully coupled angular motion system. Part I: Theoretical formulation and Numerical Investigation,” arXiv:1307.6064, 23 Jul 2013.

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Un andaluz, los churros y unas curiosas gotas de cristales nemáticos con forma de dónut

Dibujo1300613 double and triple toroids - nematic crystals

Yo no sabía que Alberto Fernández-Nieves (Instituto Técnico de Georgia, Atlanta, EEUU) fuera andaluz hasta que Luis F. Rull ‏(@LuisFRull) me lo comentó en Twitter. Alberto hizo su tesis doctoral en la Univ. de Granada en 2000 y su último artículo en PNAS merece la pena. Inspirado en el proceso de fabricación de los churros (que se fabrican inyectando una masa a base de harina de trigo en aceite muy caliente formando una espiral, que luego se corta a trozos para ser servido como desayuno o merianda), junto a varios colegas, ha fabricado gotas de cristales líquidos nemáticos con forma toroidal, es decir, con forma de dónut (por cierto, que a mí no me gustan nada de nada desde que visité y olí la fábrica de Panrico que había en Málaga). Más aún, varias gotas en forma toroidal se pueden unir entre sí formando una gota con un número de Betti mayor de uno (en topología este número mide el número de agujeros de una superficie compacta). Las gotas tienen un tamaño milimétrico y por ahora no tienen una aplicación práctica específica, pero permiten estudiar muchas propiedades de los fluidos bajo topologías no triviales. Más información en John Toon, “Liquid Doughnuts: Soft Matter Offers New Approaches to Studying How Ordered Materials Arrange Themselves Inside Non-spherical Spaces,” Georgia Tech, Research News, 21 May 2013, y en “Soft Matter Offers New Ways to Study How Materials Arrange,” ScienceDaily, May 21, 2013. El artículo técnico es Ekapop Pairam et al., “Stable nematic droplets with handles,” PNAS 110: 9295-9300, June 4, 2013 [arXiv:1212.1771]. Por cierto, en diciembre de 2012 este artículo me llamó la atención porque yo he codirigido una tesis doctoral sobre la óptica no lineal en cristales líquidos nemáticos.

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Francis in Mapping Ignorance: Transferencia anómala de calor de lo frío a lo caliente

He liquid He vapor between two plates

Te recomiendo leer mi última contribución al blog Mapping Ignorance, “Read it twice: Heat transfer from a cooler body to a hotter body,” May 16, 2013. El primer párrafo, en inglés, dice “Without any conflict with the second law of thermodynamics, heat can flow from a cooler but constantly heated body to another thermally connected and constantly hotter body. This anomalous heat transfer has been demonstrated in a two-phase liquid-vapor system composed of a Rayleigh–Bénard convection (RBC) cell filled one-half with normal liquid helium and one-half with helium vapor.” Seguir leyendo…

Mi contribución se basa en el artículo de Pavel Urban, David Schmoranzer, Pavel Hanzelka, Katepalli R. Sreenivasan, and Ladislav Skrbek, “Anomalous heat transport and condensation in convection of cryogenic helium,” PNAS 110(20): 8036-8039, May 14, 2013; además recomiendo consultar a Joseph J. Niemela, “Weather and anomalous heat flow occurring near absolute zero,” PNAS 110(20): 7969-7970, May 14, 2013.

Simulación numérica multiescala de las burbujas de la espuma

Dibujo20130510 simulation of the evolution of a cluster of bubbles

La belleza de la espuma bajo luz diurna es indudable, pero el estudio mediante ordenador de la evolución (reología) de cada una de las membranas líquidas (películas de jabón)  que la forman no es nada fácil pues involucra escalas en espacio y tiempo que varían en seis órdenes de magnitud. Se publica en Science un nuevo modelo matemático que permite una simulación multiescala de gran precisión basada en tres etapas: en la primera se calcula la solución de equilibrio estático, en la segunda se estudia el drenaje del líquido a través de las membranas y las fronteras entre ellas, y en la última se calcula la posible rotura en las zonas más delgadas de las películas de fluido. Este proceso se repite de forma iterativa. El resultado es una simulación sin precedentes de la evolución de la espuma lejos del equilibrio. Las espumas tienen una gran variedad de aplicaciones en la industria y en el diseño de materiales. Por ello, la simulación multiescala de su física promete importantes repercusiones prácticas. Nos lo cuenta Denis Weaire, “A Fresh Start for Foam Physics,” Science 340, 693-694, 10 May 2013, que se hace eco del artículo técnico de Robert I. Saye, James A. Sethian, “Multiscale Modeling of Membrane Rearrangement, Drainage, and Rupture in Evolving Foams,” Science 340: 720-724, 10 May 2013.

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Francis en Trending Ciencia: Los cabellos de Pelé, la diosa hawaiana de los volcanes

Dibujo20130419 hundreds of strands of pele hair intertwinded on the surface of a pahoehoe flow at kilauea volcano hawaii

Ya puedes disfrutar de mi nuevo podcast de Física en Trending Ciencia, grabado el 19 de abril de 2013, sigue este enlace para escuchar el audio. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física un artículo publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters titulado “Delayed Capillary Breakup of Falling Viscous Jets” (rotura capilar retrasada de chorros líquidos viscosos en caída) aparecido el 15 de abril en el número 14 del volumen 110 de dicha revista. Este artículo afirma haber resuelto una famosa paradoja  en la física de los chorros líquidos viscosos, como los chorros líquidos de miel o de lava. Quizás te sorprenda que aún haya cosas que desconocemos sobre los chorros líquidos viscosos, pero así es. Arman Javadi (École Normale Supérieure en Paris, Francia) y sus colegas han desarrollado una nueva teoría, basada en un extenso número de experimentos, que permite explicar el porqué la miel puede producir chorros de varios metros de longitud y sólo unos milímetros de grosor, algo imposible para líquidos no viscosos como el agua. Este fenómeno es paradójico porque la teoría convencional que explica la formación y rotura de los chorros líquidos afirma que la viscosidad no influye en la longitud del chorro líquido antes del momento en que empieza a gotear. La nueva teoría de Arman Javadi y sus colegas explica porque la rotura se retrasa y el chorro alcanza longitudes de vértigo. Quizás nunca has hecho la prueba, pero un chorro de miel puede alcanzar más de 7 metros y medio de longitud antes de romperse en gotas.

El artículo ténico es A. Javadi, J. Eggers, D. Bonn, M. Habibi, and N. M. Ribe, “Delayed Capillary Breakup of Falling Viscous Jets,” Phys. Rev. Lett. 110: 144501, 2013.

Pero antes de nada, permíteme recordarte una curiosidad que gustará sobre todo a los aficionados a la geología y la vulcanología. Los llamados cabellos de Pelé. Pelé en la mitología hawaiana, es una diosa del fuego, el relámpago, la danza, los volcanes y la violencia. Según esta mitología, Pelé es una de las hijas de Haumea y Kane Milohai. Se caracteriza por ser una diosa salvaje y rabiosa, que según la tradición de los nativos, habitaría en el volcán Kīlauea. Por ello es que Pelé es considerada como la responsable de las erupciones de dicho volcán. Entre los vulcanólogos, Pelé es famoso por sus cabellos, los cabellos de Pelé, unas hebras de vidrio basático formados en fuentes de lava, cascadas de lava y coladas de lava de alta velocidad que se observan en algunas erupciones volcánicas hawaianas. Lo que se observa es una especie de manojo de hebras de vidrio de color dorado, cada una con menos de 0,5 mm de diámetro y una sorprendente longitud de hasta 2 metros Las hebras reciben el nombre de Pelé la diosa de volcanes en la mitología Hawaiana. La nueva teoría Arman Javadi y sus colegas para la rotura de chorros líquidos viscosos permite explicar los primeros instantes de su formación, antes de su solidificación.

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Vórtices anudados en fluidos reales

Una afición de algunos fumadores es hacer vórtices de humo en forma de anillo (o circunferencia). La manera más sencilla es forzar que el fluido pase por un agujero circular. También se pueden producir estos vórtices acelerando de forma brusca un “ala” con forma circular. Lo más sorprendente es que si el “ala” tiene forma de nudo de tres hojas, el resultado es un vórtice con forma de nudo de tres hojas, como muestra este vídeo. Para fabricar estas “alas” en forma de nudo, Dustin Kleckner y William T. M. Irvine de la Universidad de Chicago han usado una impresora 3D. El resultado es realmente alucinante, vórtices de agua “anudada” realmente hipnóticos. El artículo técnico es Dustin Kleckner, William T. M. Irvine, “Creation and dynamics of knotted vortices,” Nature Physics, AOP 03 Mar 2013.

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Por qué las burbujas de una Guinness descienden por la pared interna de la pinta

Dibujo20130205 guiness pint - comsol numerical simulation bubbly flows

Los bebedores de cerveza Guinness saben que para disfrutar de una pinta bien servida hay que esperar. Muchos habrán observado en la pinta ya servida que hay burbujas que en lugar de subir descienden por la pared interna del vaso. La razón es que las burbujas de esta cerveza son muy pequeñas (porque tienen nitrógeno además de carbónico) y tras la “subida” de la cerveza se forma una zona de reflujo cerca de la pared, una capa límite delgada en la que el fluido se mueve hacia abajo llevado por y llevando con él las burbujas. La clave del reflujo es la geometría del vaso de la pinta y la interacción entre las burbujas y el fluido. Así lo afirma un nuevo artículo en American Journal of Physics que ha estudiado gracias a COMSOL la fluidodinámica de la cerveza en una vaso de un pinta y en un vaso de “antipinta” (como muestra la figura). El artículo técnico es E. S. Benilov, C. P. Cummins, W. T. Lee, “Why do bubbles in Guinness sink?,” Am. J. Phys. 81: 88-91, 2013 [arXiv:1205.5233].

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