Científicos

Un vórtice en la atmósfera: imagen satelital compuesta del avance del huracán Andrew, de 1992, que provocó una enorme destrucción en Miami y Florida. Las imágenes están tomadas con un día de diferencia; las nubes “decoran” el movimiento del aire y se ven claramente el centro del remolino, “el ojo” y la forma típica de torbellino.

Los remolinos, torbellinos y tornados se encuentran presentes en muchos líquidos y gases. Pueden ser tan familiares como el pequeño remolino que se forma cuando vaciamos una bañadera, o tan destructivos como los huracanes y tornados que salen en películas y boletines de noticias.

Recientemente hubo una noticia de un remolino especial, inofensivo por suerte, creado en un laboratorio.

¿Qué tiene de especial este torbellino?

Lo nuevo es que es un remolino con nudo, es decir, que adopta la forma de un nudo como el que usamos para atar zapatillas. No es fácil atar un nudo con agua, como se imaginará el lector. Y tampoco permanece atado mucho tiempo, pero aún así es un objeto útil para estudiar la dinámica de los fluidos, y se puede extender su utilidad a otras ramas de la física más exóticas, ya que los torbellinos aparecen en muchos problemas físicos.

Otra palabra para un torbellino es “vórtice” y es la más usada por físicos e ingenieros. Hay muchas formas de vórtices, y una muy común y que tal vez el lector haya visto, es un anillo de humo. Un anillo de humo es un vórtice con núcleo redondo. ¿Qué queremos decir con esto? El núcleo del remolino del desagüe de la bañadera, por ejemplo, es ese agujero que se ve en el centro, alrededor del cual gira el agua. En un huracán es el famoso “ojo del huracán” donde hay una zona de calma mientras a su alrededor el aire gira vertiginosamente. Estamos acostumbrados a ver ese centro como casi recto, en el centro del agua que gira. En un anillo de humo hay que imaginar el núcleo como una cinta doblada sobre si misma hasta formar un círculo, y al humo girando alrededor de esa cinta circular. Algunos fumadores consiguen hacer anillos de humo, y esto no es muy difícil de hacer en un laboratorio, pero hasta ahora nadie había conseguido hacer un vórtice con forma de nudo, y esto es lo que recientemente consiguieron Dustin Kleckner y William Irvine de la Universidad de Chicago. Y además han filmado su evolución, mientras se deshacía por sí mismo, igual que ocurre con los anillos de humo.

¿Y cuál es la importancia de esto? Bueno, por un lado los vórtices y sus variantes enredadas aparecen en muchas ramas de la ciencia, y en aplicaciones importantes como el diseño de aviones, autos, barcos y toda cosa que se mueva rápido en el aire y en el agua. Cuanto más veloz sea un vehículo más genera turbulencia, y eso es malo, porque la turbulencia frena al objeto. Un río de llanura fluye lento y tranquilo, y a esto se lo llama flujo laminar. Pero si el agua se acelera, como ocurre en un río de montaña, aparecen remolinos, olas y el flujo deja de ser laminar y se hace turbulento. Lo mismo pasa en una canilla, todos habremos visto como algunas canillas forman un chorro turbulento. Si pudiéramos ver los remolinos que forma el chorro de agua que sale de la canilla los veríamos enredados, dando vueltas de manera azarosa, entremezclándose y ¿tal vez? anudándose entre sí.

El problema es que no se entiende a fondo la turbulencia. Es un fenómeno complicado, basta mirar un rato un arroyito en la montaña y veremos que nunca se repiten los remolinos. Todos van cambiando de forma, y aunque aparezcan alrededor de la misma piedra en el fondo, nunca se repiten de la misma manera.

Crear un remolino anudado tiene la ventaja de poder estudiar algo a la vez complejo y simple. No tenemos una masa de remolinos enredados como salen de la canilla, tenemos un remolino solo. Pero a la vez está la complicación del nudo, el remolino se cruza a si mismo y podemos ver como interactúan las diferentes partes. Para lograr esto, Kleckner y Irvine usaron un sistema de filmado rápido sumamente sofisticado, y “decoraron” sus vórtices con pequeñas burbujas de gas. Las películas obtenidas, en tres dimensiones, fueron analizadas para ver la estabilidad de los vórtices. Como suele hacerse, empezaron por lo más simple, un anillo como los de humo pero su experimento se hace en el agua, y el anillo puede formarse acelerando de golpe un anillo sólido dentro del líquido. Hay algunos trucos, el anillo sólido tiene un perfil especial, y se generan burbujitas en el líquido que son atraídas por el núcleo. Pero lo que se ve es un anillo, bastante estable, que se mueve dentro del líquido. Ahora, poniendo otra estructura en forma de nudo y haciendo lo mismo, se genera el vórtice anudado, que es lo novedoso. Los autores analizan el movimiento cuidadosamente y se obtienen datos útiles sobre la estabilidad y el comportamiento de este objeto un poco efímero, porque el vórtice decae en algunos segundos.

Lo importante es que esta información es difícil de conseguir de otra manera. Ni con las computadoras más veloces y poderosas se pueden resolver las ecuaciones que describen este movimiento en forma satisfactoria. Se conocen desde hace mucho tiempo y son las llamadas ecuaciones de Navier-Stokes, pero son demasiado complicadas para resolver en forma realista. Tener experimentos como el presente ayudan a buscar soluciones y tal vez a encontrar aproximaciones útiles, más fáciles de resolver pero que contengan los elementos esenciales del problema.

(*) Doctor en Física. Bariloche

JAVIER LUZURIAGA (*)