Un profesor de ingeniería ambiental de la Universidad Estatal de Oregón ha resuelto un misterio de décadas sobre el comportamiento de los fluidos, un campo de estudio con amplias aplicaciones médicas, industriales y ambientales.
La investigación de Brian D. Wood, publicada en el Revista de mecánica de fluidos borra un obstáculo que ha estado desconcertando las mentes científicas durante casi 70 años y allana el camino para una imagen más clara de cómo los químicos se mezclan en los fluidos.
Una comprensión más completa de ese principio básico proporciona una base para los avances en una variedad de áreas, desde cómo se propagan los contaminantes en la atmósfera hasta cómo las drogas perfunden los tejidos dentro del cuerpo humano.
Financiado por la National Science Foundation, el trabajo de Wood con la teoría de la dispersión se basa en la investigación de uno de los científicos más exitosos en la historia del estado de Oregon, Octave Levenspiel. Un graduado de doctorado en ingeniería química en 1952 y más tarde un miembro de la facultad de toda la vida, Levenspiel en1957 publicó un importante artículo sobre dispersión en reactores químicos en su camino para convertirse en el primer miembro de la universidad en la Academia Nacional de Ingeniería.
Aún más importante, la investigación de Wood cierra una brecha de larga data en uno de los principios fundamentales de la mecánica de fluidos: la teoría de la dispersión de Taylor. Nombrada por el físico y matemático británico GI Taylor, autor de un artículo seminal de 1953, la teoría se refiere a fenómenos en los quelas fluctuaciones en los campos de velocidad de un fluido hacen que los químicos se propaguen dentro de él.
"El proceso de propagación dispersiva tiende a aumentar con el tiempo hasta que alcanza un nivel estable", dijo Wood. "Puede pensar que es análogo a la inversión en una startup, en la que las tasas de rendimiento pueden ser inicialmente muy grandes antesestableciéndose en un nivel más sostenible que es casi constante "
La teoría de Taylor fue la primera en permitir a los investigadores predecir ese nivel constante de dispersión utilizando lo que se conoce como la ecuación de dispersión macroscópica. La ecuación puede describir el movimiento neto de una especie química en un fluido, siempre que haya transcurrido suficiente tiempo desde queel químico ingresó al fluido.
"Esa fue una revelación significativa en ese momento", dijo Wood. "Estaba a la par con lo que los investigadores estaban haciendo teóricamente en otras disciplinas, como la mecánica cuántica".
Si bien la teoría de Taylor fue exitosa y revolucionaria, los investigadores aún lucharon con el problema de cómo evoluciona la dispersión dispersiva desde su comportamiento dinámico y temprano, lo que se denomina su condición inicial, hasta cuando alcanza el valor más constante predicho por Taylor.
Los científicos encontraron cierto éxito al agregar a la ecuación un coeficiente de dispersión dependiente del tiempo, pero el coeficiente creó problemas propios, siendo las principales paradojas.
"Por ejemplo, si los solutos químicos inyectados en un fluido en dos momentos diferentes se superponen, ¿qué tiempo asigna al coeficiente de dispersión?", Dijo Wood. "Taylor mismo entendió que, cuando se adoptó un coeficiente de dispersión dependiente del tiempo, contemporáneolas teorías violaron nociones básicas de causalidad en física "
Wood y sus colaboradores usaron otro canon, la teoría de las ecuaciones diferenciales parciales, para mostrar que los problemas con el coeficiente de dispersión dependiente del tiempo surgieron de descuidar la relajación del soluto, el químico inyectado en el fluido o solución, de sucondición inicial.
"Cuando las especies químicas se inyectan por primera vez, su comportamiento no es necesariamente consistente con una ecuación de tipo dispersión", explicó Wood. "Más bien, la condición inicial primero tiene que 'relajarse'. Durante este tiempo, hay un término adicional paracuenta de eso faltaba en la ecuación de dispersión de macroescala de Taylor ".
En una ecuación, un término se refiere a un solo número o una variable, o números y variables multiplicados juntos.
El término Wood agregado corrige la ecuación de dispersión para tener en cuenta la configuración inicial de las especies químicas que se mueven en el fluido. De manera sorprendente, dijo Wood, la teoría también resuelve paradojas en otras teorías con coeficientes de dispersión dependientes del tiempo.
"En la nueva teoría, nunca hay una pregunta sobre qué coeficiente de dispersión se debe usar cuando los solutos químicos se superponen", dijo. "El ajuste al proceso de propagación se explica automáticamente por la presencia del término adicional".
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