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.