La superficie giratoria de arco iris de una pompa de jabón es más que fascinante: es una lección de mecánica de fluidos. Una mejor comprensión de estos flujos hipnóticos podría traer mejoras en muchas áreas, desde espuma de cerveza más duradera hasta tratamientos pulmonares que salvan vidas.
El remolino en la superficie de las burbujas es causado en parte por el efecto Marangoni. Este fenómeno ocurre cuando las moléculas llamadas surfactantes se mueven desde áreas de baja tensión superficial a áreas de mayor tensión superficial a lo largo del límite entre dos sustancias diferentes. Su cuerpo está llenode tensioactivos naturales, como la película lagrimal de nuestros ojos y el líquido contenido en los diminutos sacos de aire dentro de nuestros pulmones. En una pompa de jabón, el efecto Marangoni ayuda a estabilizar la burbuja creando una distribución más uniforme de la tensión superficial.
Impulsados por la curiosidad de un pasante de la escuela secundaria, los investigadores de Stanford han descubierto cómo detener este remolino, una hazaña nunca antes documentada. La investigación, publicada en Fluidos de revisión de física , permite un examen más detenido de estos flujos, al mismo tiempo que produce obras de arte caleidoscópicas.
"Pudimos detener los flujos de Marangoni. Detenerlos. Fue un fenómeno notable y con un control muy delicado de estos flujos y estos patrones", dijo el coautor Gerald Fuller, profesor de ingeniería química.
Deteniendo el remolino
Los investigadores lograron este control creando una burbuja de aire de aproximadamente 1 milímetro de ancho debajo de la superficie de una solución jabonosa, elevando la burbuja rápidamente a la superficie, haciendo una pausa y luego volviéndola a levantar. Con cada golpe hacia arriba, lanzaron una nueva capa deMarangoni fluye en el borde exterior de la burbuja, que atrapó la capa anterior. Fueron capaces de crear hasta siete diferentes flujos de Marangoni en una burbuja.
Estos flujos detenidos son misteriosos porque son similares a congelar una ola que se estrella.
"Los colores en las burbujas indican el grosor de la película, por lo que tienes estos valles y colinas que se encuentran en un estado geométrico frustrado en una superficie que en sí misma es efímera", dijo el autor principal Saad Bhamla, quien dirigió el trabajo en Fuller'slab como estudiante graduado y ahora es un becario postdoctoral en bioingeniería. "Una pregunta interesante es por qué puedes hacer eso en primer lugar".
Salvando vidas con burbujas
Las burbujas son económicas, aparentemente sencillas y fáciles de hacer y manipular. Esto las convierte en una herramienta poderosa para los investigadores. Al igual que los ratones y las moscas de la fruta, las burbujas son un sistema modelo, una excelente opción para la experimentación.
"Casi esperas que las cosas que son mundanas - objetos cotidianos, cosas simples - estén todas resueltas. Lo das por sentado", dijo Bhamla. "Si haces la pregunta '¿Por qué?' Inclusolas cosas más simples tienen mucho que podemos descubrir sobre ellas porque hoy tenemos mejores herramientas, hoy tenemos mejores técnicas ".
Innumerables disciplinas han investigado el poder de las burbujas, incluidas la informática, la arquitectura, las matemáticas y la biología. En el siglo XVII, Isaac Newton utilizó las burbujas para investigar la óptica. Más de 300 años después, el físico Pierre-Gilles de Gennes habló sobre las burbujas de jabón ysurfactantes en su conferencia Nobel para el Premio Nobel de Física de 1991.
Anteriormente, Fuller Research Group ha trabajado para aliviar la sequedad ocular y fabricar sustitutos de los tensioactivos pulmonares, que se utilizan para prevenir el colapso pulmonar en los recién nacidos como resultado de una afección llamada síndrome de dificultad respiratoria neonatal. En la actualidad, el laboratorio está estudiandodinámica de las burbujas y el efecto Marangoni en su relación con la calidad de la espuma de la cerveza, la separación del petróleo crudo del agua y la creación de burbujas no deseadas en las formulaciones de medicamentos, que pueden reducir la eficacia de una terapia con medicamentos.
"Al apreciar la prevalencia de las espumas tensioactivas en productos alimenticios y productos personales, se da cuenta de que es necesario comprender la vida útil de estos sistemas", dijo Fuller.
El trabajo actual en este proyecto también implica dar un paso atrás y deconstruir el fenómeno para comprender mejor sus implicaciones.
Estas ondas inmovilizadas crearon patrones tan hermosos que los investigadores hicieron un cortometraje de su experimento, junto con una explicación animada del efecto Marangoni. Este video ganó un premio Milton Van Dyke de la American Physical Society, un premio que lleva el nombre de un exProfesor de Stanford de ingeniería mecánica y de aeronáutica y astronáutica. Van Dyke fue conocido por su promoción de la educación científica y su aprecio por la belleza del movimiento de fluidos. Este premio reconoce ejemplos visuales sobresalientes de mecánica de fluidos.
El estudio, titulado "Poniendo bajo arresto las inestabilidades de Marangoni", se publica en Fluidos de revisión de física .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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