Jugando con esferas pegajosas cual blandiblub o blandi-blood

De niño recuerdo haber jugado con el “Blandi Blub” de Congost. El anuncio de 1978 decía “Puedes exprimirlo, romperlo, pegarlo, alargarlo… Es frío, húmedo… ¡¡Es fabuloso!!” No, no soy un nostálgico de los 80s, como otros.  A mí no me gustaba mucho este fluido viscoelástico que se ensuciaba de polvo con una gran facilidad y que ensuciaba con gran facilidad, para desagrado de nuestras madres. Aunque en aquella época yo no apreciaba la belleza de las colisiones entre fluidos viscoelásticos y superficies sólidas, con el Blandi Blub hice mis primeros “experimentos” con dichos fluidos.

Me ha recordado esto el video que inicia esta entrada, “The bounce-splash of a viscoelastic drop,” de Federico Hernández-Sánchez, René Ledesma, y Roberto Zenit Roberto, ArXiv preprint, 10 Oct 2008 , que tras presentar las diferencias entre el choque entre una pelota sólida y una gota de agua líquida con una superficie, se concentran en los choques entre una gota de fluido viscoelástico (entre líquido y sólido). Los resultados, como podéis apreciar en el video, son curiosísimos.

Fluido newtoniano es un fluido viscoso en el rozamiento tangencial a una superficie es proporcional a la variación espacial de la velocidad. La mayoría de los fluidos que nos rodean son newtonianos, como el aire, el agua, la gasolina y muchos aceites. Sin embargo, no todos los fluidos son newtonianos. Los fluidos no newtonianos son más complicados y el mismo concepto de viscosidad (definido y constante) no está definido. Sus propiedades reológicas (“viscosas”) son mucho más complicadas. Hay muchos fluidos newtonianos en nuestras modernas ciudades, como pinturas, miel, o mermelada, y muchos materiales entre fluidos y sólidos como arcillas, plastilina, o alquitrán. Los fluidos no newtonianos más estudiados son los viscoelásticos. El vídeo objeto de esta entrada ilustra muy bien las propiedades de este tipo de fluidos.

En el video se dejan caer gotas de 2.2 cm de diámetro de un fluido viscoelástico (mezclas acuosas de gelatina) desde diferentes alturas, con objeto de producir colisiones de diferente velocidad en el momento del impacto. En este problema el número adimensional más relevante es el número de Weissemberg (We) el cociente entre el tiempo de relajación del fluido viscoelástico y un tiempo característico del proceso implicado. ratio of the relaxation time of the fluid and a specific process time. En las simulaciones del vídeo We=tau*U/D, donde tau es el tiempo de relajación del fluido, U es la velocidad de la gota en el momento del impacto y D es el diámetro de la gota. Para We muy grande, tenemos comportamiento de líquido. Para We muy pequeño (próximo a cero), tenemos comportamiento de sólido.

El más interesante de todos es el último experimento, para We grande. La gota se “espachurra” formando una fina capa de fluido, para instantes más tarde, debido a su elasticidad, recobrar una forma de gota, aunque deformada y rebotar casi como un sólido. Espectacular. Yo nunca lo había visto. Es el clásico resultado que afirma la teoría, que cuando lo ves en vivo y en directo (o en vídeo) te deja boquiabierto.

Jugando con una pajilla en un vaso de zurito medio vacío (o las acrobacias de los chorros líquidos)

De niños, cuando hemos bebido utlizando un pajilla (para sorber), hemos jugado a hacer burbujitas en la superficie del líquido. A nuestros padres nunca les gustó. En parte lo hacíamos por el placer de contrariarles. ¿Habéis probado, ya de adultos, a jugar con una pajilla como cuando niños? Os lo recomiendo. Más aún, por qué no probar a hacerlo cuando un vaso de zurito (chiquito o txikito) con una cantidad pequeña de líquido (cuando este tipo de vaso pequeño está casi vacío de líquido). No sólo lograréis generar burbujas sino también otros fenómenos fluidodinámicos interesantes. ¡Ánimo, a disfrutar!

¿Qué nos os atravéis a volver a ser como niños? No os preocupéis, el vídeo de más arriba, os presentan lo que podréis obtener si jugáis a cambiar el ángulo entre la vertical y la pajilla. El vídeo se lo tenemos que agradecer a James C. Bird y Howard A. Stone, de la Universidad de Harvard, Cambridge, EEUU, “Liquid acrobatics”, October 9, 2008 . El experimento del vídeo muestra cómo se comporta un líquido poco profundo cuando inyectamos con una jeringilla un chorro de gas continuo. Hay un régimen en el que se producen erupciones cíclicas de chorros líquidos que se rompen en gotitas que describen una trayectoria parabólica preciosa. El “gotear” de estas gotitas se puede lograr que presente un régimen caótico como presenta claramente este vídeo que ha sido obtenido con una cámara de alta velocidad. Por supuesto,  también es posible observar estos fenómenos a simple vista, aunque quizás se aprecie menos su belleza en dicho caso.

Los investigadores han utilizado helio como gas, que han inyectado a unos 3 mL/s (mililitros por segundo), pero con cualquier otro gas se podrían obtener resultados similares. Como líquido han utilizado aceite de silicona que han rellenado hasta 5 mm (milímetros) de altura en un recipiente plano y ancho. La dinámica observada depende del ángulo de la jeringilla respecto a la vertical, de la tasa de inyección de gas, y de la profundidad y propiedades del líquido. En el vídeo, el único parámetro que han variado es el ángulo respecto a la vertical (los demás parámetros se han mantenido constantes).

Como podéis observar en el vídeo, magníficamente comentado (aunque en inglés). Cuando el ángulo entre la jeringilla y la superficie horizontal del líquido es inferior a 57º, la superficie del liquido permanece en equilibrio, como si no pasara nada. Al superar los 57º, aparecen ondas de superficie (como pequeñas olas). Técnicamente se denominan ondas capilares (que están reguladas por la tensión superficial del líquido y el efecto de la gravedad). Al seguir aumentando el ángulo, se forma un bulto que crece en tamaño del que parece que se emiten las ondas capilares. A los 66º respecto a la horizontal el bulot se convierte en una burbuja esférica acompañada de un chorro líquido eyectado hacia arriba. Para un ángulo de unos 72º, este chorro se rompe en forma de rosario de pequeñas gotitas que realizan un “vuelo” parabólico. Para ángulos prácticamente verticales (entre 80º y 90º) el comporamiento del flujo de gotitas es completamente caótico (caos determinista).

Dicen que una imagen vale más que mil palabras. Cualquier descripción informal (no técnica) de los fenómenos observados es incapaz de mostrar la gran belleza de la variedad de acrobacias que se observan en el vídeo. Si no lo habéis visto aún, por favor, lo disfrutaréis. Si ya lo habéis hecho, es necesario que repitáis.

Por cierto, busca un pajilla y repite el experimento con tu bebida favorita y si eres “youtubero” fílmalo con tu móvil o webcam y cuélgalo. Sería muy interesante ver quien logra la mejor visualización casera.

El aire hojea el libro o cómo luchar contra la brisa marina cuando se ojea un libro en la playa

Pedro M. Reis y John W. M. Bush del Departamento de Matemáticas del M.I.T. han realizado este interesante video, “The Clapping book,” October 9, 2008 [official video link], en el que estudian el paso de una corriente de aire horizontal a través de un libro abierto cuyas tapas están sujetas, pero cuyas hojas se pueden mover libremente. Ya tenemos dicha experiencia los que hemos leído en las playas de Tarifa (donde además entre las páginas se acumula gran cantidad de fina arena blanca). Como el vídeo muestra, las páginas se levantan “al vuelo”, se contornean y realizan movimientos periódicos muy curiosos (que molestan al lector poco hábil a la hora de sujetar las páginas del libro). Estos fenómenos son debidos a los momentos de fuerza (torques) asociados a las fuerzas aerodinámicas, el peso de la hoja y su resistencia elástica al doblado. Conforme se acumulan páginas “levantadas”, la resistencia elástica del conjunto aumenta con lo que llega un momento que dichas páginas caen y el libro vuelve a un estado parecido al inicial. El proceso se repite, conduciendo a la generación de un fenómeno “periódico” no lineal muy interesante.

Los experimentos se han realizado en un túnel de viento con una sección transversal de 30×30 cm^2 que opera a velocidades de viento en el rango de 1 a 10 m/s. El “libro” contiene 200 páginas de papel estándar. Las oscilaciones observadas son extraordinariamente regulares con frecuencias entre 0.1 y 1 Hz.

El vídeo ha sido enviado para su consideración al 26th Annual Gallery of Fluid Motion y ha sido aceptado para el próximo 61st Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics. Gracias a la internet lo tenemos disponible gratuitamente.

PS: el Dr. Bush es un gran físico de fluidos aficionado a las cosas curiosas y logra publicarlas donde quiere.

Inestabilidad por latigazos en chorros líquidos cargados estudiada en Andalucía (Univ. Málaga y Sevilla)

(versión del vídeo en mejor calidad 39 Mb y aún mejor calidad 96 Mb)

Uno de los grandes logros del año pasado (2007) de la Física de Fluidos española ha sido la publicación de no uno sino dos artículos en la prestigiosa revista “Annual Review of Fluid Mechanics” . Uno de ellos por investigadores andaluces, Antonio Barrero (Univ. Sevilla) e Ignacio G. Loscertales (Univ. Málaga), quizás entre los mayores expertos mundiales en chorros líquidos cargados (electrospinning) y sus aplicaciones en nanotecnología (por ejemplo, para encapsular medicamentos utilizando nanofluidos). El artículo es Antonio Barrero e ­Ignacio G. Loscertales, “Micro- and Nanoparticles via Capillary Flows,” Annual Review of Fluid Mechanics, 39: 89-106, 2007 . Para los que no lo sepan su índice de impacto en el JCR 2007 es de 9.5 siendo la revista número 1 en Física de Fluidos y Plasmas, la que le sigue tiene un índice de impacto de 3.3 (gran diferencia). De hecho estos andaluces han llegado a publicar en la mismísima Science, I.G. Loscertales, A. Barrero et al. “Micro/nano encapsulation via electrified coaxial liquid jets,” Science, 295: 1695-1698, mar 1 2002 (citado 182 veces en el ISI WOS, su artículo más citado).

El vídeo, aunque la calidad youtube es pobre (si te interesa, los enlaces de mejor calidad son preferibles) ilustra magistralmente la inestabilidad por latigazos que ha sido observada con extrema claridad por primera vez en experimentos recientes realizados por Alvaro G. Marin, Guillaume Riboux, Ignacio G. Loscertales, Antonio Barrero, publicados como vídeo en “Whipping Instabilities in Electrified Liquid Jets,” oct 1 2008 .

Los chorros líquidos pueden desarrollar diferentes tipos de inestabilidades, como las de Rayleigh-Plateau que rompen el chorro líquido en gotas. Cuando las propiedades del líquido cambian, por ejemplo cuando se electrifica (se carga eléctricamente su superficie) puden aparecer nuevos tipos de inestabilidades. La más común se denomina inestabilidad por latigazos (whipping instability) que se caracteriza por rápidos y violentos latigazos del chorro similares a los del látigo de Antonio Banderas como el zorro o los de Harrison Ford como Indiana Jones.

El vídeo muestra la dinámica de un chorro de glicerina líquida cargada en un baño líquido con hexano (un dieléctrico), lo que permite mejorar la visualización de la inestabilidad. Los autores del vídeo consideran que es probable que esta sea la primera vez que este fenómeno se visualiza con suficiente claridad como para poder analizar sus características y cómo cambias éstas cuando se modula el caudal del chorro. Entre las características sorprendentes observadas en el vídeo se encuentra la estabilización espontánea del chorro cargado a una distancia crítica del electrodo de tierra.

Traducción libre del vídeo: Los chorros líquidos cargados pueden desarrollar cierto tipo de inestabilidades llamadas “inestabilidades de latigazo” (“Whipping Instabilities”). Estas inestabilidades se manifiestan como una secuencia de movimientos caóticos similares a un látigo que es lanzado violentamente. Esta inestabilidad es difícil de observar debido a que los “latigazos” son muy violentos y rápidos. Sin embargo, cuando estos experimentos se realizan dentro de un medio líquido, los autores han observado que la inestabilidad se muestra en un régimen muy ordenado y periódico que permite caracterizar sus propiedades, como longitud de onda, frecuencia de vibración, amplitud, etc.

El chorro líquido cargado cae formando una estructura espiral cónica bastante regular cuando el caudal de líquido es bajo. Conforme se aumenta el caudal, la longitud de onda decrece, es decir, el número de vueltas en la espiral aumenta. Cuando el caudal supera cierto umbral, el movimiento se vuelve aperiódico e irregular, caótico determinista. Este comportamiento inestable se puede controlar variando la distancia entre la aguja que inyecta el chorro y el electrodo de tierra. Por debajo de cierta distancia crítica el flujo se estabiliza, de forma reversible, ya que si lo alejamos volverá a ser inestable. Sorprendetemente, el fluido cargado a corta distancia del electrodo se comporta como un fluido no cargado viscoso, incluso si cuando lo alejamos presenta una inestabilidad que lo rompe en gotas.

En resumen, unos resultados experimentales muy interesantes que han sido posibles gracias al “arte” experimental de estos andaluces “artistas” de la física de fluidos.

¿Eres doctor? ¿Has “bailado” tu tesis? Pues, ¡ tú te lo pierdes ! (o el concurso “Tú si que vales” en la ciencia)

Es curioso las cosas que se le ocurren a los frikis de la ciencia. ¿Interpretarías tu Tesis Doctoral bailando en un escenario? Piensa un poco, ¿cómo lo harías? Si se te ocurre cómo, seguramente podrás demostrarlo en el concurso de 2009 organizado por la revista Science (John Bohannon, “A Taste of the Gonzo Scientist,” Science, Vol. 319. no. 5865, p. 905, 15 February 2008), ya que el concurso este año se ha celebrado en Viena, Austria, el 18 de enero pasado. Doce participantes, 12, han llegado a la final del “Tú si que vales” científico. Durante 60 segundos tenían que resumir su tesis doctoral, bailando, ante cuatro jueces; no, Sardá no estaba entre ellos, eran un astrónomo, un antropólogo, un periodista científico y, como no, un bailarín profesional. ¿Cuál es el premio en “Dance your Ph.D.”? No, no es el dinero y la fama, ni una entrevista en T’ la hinco. Nada más y nada menos que una suscripción anual a la revista Science (que no es “moco de pavo”).
Tres premios uno por categoría según los años que hace que se defendió la tesis (o lo bien que se recuerda ésta). Brian Stewart bailó su tesis sobre arqueología prehistórica (Refitting Repasts: A Spatial Exploration of Food Processing, Cooking, Sharing and Disposal at the Dunefield Midden Campsite, South Africa, thesis, Univ. of Oxford, 2008) “imitando” la caza de un antílope (representado por una compañera). Nicole-Claudia Meisner interpretó su doctorado en la regulación del RNA mensajero (mRNA Stability Regulation as a Drug Target: mRNA Stability Cross-Screening and Molecular Mechanisms in Post-Transcriptional Regulation Resolved by Quantitative Biology, thesis, Univ. of Salzburg, 2005). Finalmente, el tercer ganador fue el Prof. Dr. Giulio Superti-Furga que desarrolló tu tesis en la genética del desarrollo humano (Transcription Factors Involved in Development and Growth Control: Regulation of Human G-Globin and Fos Gene Expression, thesis, Univ. of Zurich, 1991), quien estuvo acompañado, faltaría más para un senior, de varios de sus estudiantes de doctorado.
Los videos los podéis ver en la siguiente página web (ver Video Gallery). Seguramente, próximamente pasarán a youtube.

NOTA: si eres doctor y quieres participar ya puedes enviar tu solicitud, en inglés, claro [If you would like to take part in the 2009 Dance Your PhD contest, send an email to gonzo@aaas.org].  

NOTA: el video de arriba no tiene nada que ver con esta noticia, como ya te habrás dado cuenta si lo has visto, se trata del videoclip de la canción “Bad taste & gold on the door (i want my Kate Moss)” del grupo Hushpuppies, primer single de su álbum “Silence is golden”. ¿Por qué aparece aquí? Y por qué no, me resulta “atrativo”, si lo has visto, ya sabrás el porqué, si no, te atreves…