Frecuentemente colegas que ejercen disciplinas diferentes a las ingenierías o el desarrollo tecnológico, nos sugieren artículos cuyos contenidos resultan muy interesantes a pesar de que aparentemente no se les ve una aplicación práctica inmediata. Es el caso del presente artículo escrito por Ingrid Fadelli, publicado el 28 de noviembre de 2024 en el boletín de Phys.org y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de que se trata…

La vorticidad, una medida de la rotación local o el movimiento giratorio en un fluido, ha sido estudiada durante mucho tiempo por físicos y matemáticos. La dinámica de la vorticidad está regida por las famosas ecuaciones de Navier-Stokes, que nos dicen que la vorticidad se produce por el paso del fluido a través de las paredes. Además, debido a su resistencia interna a ser cortados, los fluidos viscosos difundirán la vorticidad dentro de ellos y, por lo tanto, cualquier movimiento giratorio persistente requerirá un reabastecimiento constante de vorticidad.

Físicos de la Universidad de Chicago y matemáticos aplicados del Instituto Flatiron llevaron a cabo recientemente un estudio que explora el comportamiento de fluidos viscosos en los que se suspendieron pequeñas partículas giratorias, que actuaron como fuentes locales y móviles de vorticidad. Su artículo, publicado en Nature Physics, describe comportamientos de fluidos que nunca se habían observado antes, caracterizados por la autopropulsión, la agrupación y la aparición de fases activas quirales.

"Este experimento fue una confluencia de tres curiosidades", dijo a Phys.org William T.M. Irvine, uno de los autores del artículo. "Habíamos estado estudiando y diseñando metafluidos que rompían la paridad con propiedades fundamentalmente nuevas en 2D y estábamos interesados ​​en ver cómo se comportaría un análogo tridimensional.

"Al mismo tiempo, estábamos interesados ​​en construir materia activa en números de Reynolds intermedios para ver qué nuevos comportamientos daría lugar a la inercia y, finalmente, habíamos estado jugando con la construcción de turbulencia mediante la combinación de bucles de vórtices y estábamos interesados ​​en si se podía hacer mediante la combinación de vórtices 'puntuales'".

Para llevar a cabo sus experimentos, Irvine y sus colegas crearon primero una gran cantidad de partículas cilíndricas de tamaño milimétrico. Luego utilizaron campos magnéticos para hacer que estas partículas giraran mientras estaban suspendidas en un fluido viscoso.

Observaron que las partículas individuales generaban una región tridimensional localizada de vorticidad a su alrededor. Esta región en remolino, a la que llamaron "vortlet", producía varios comportamientos fluidos fascinantes.

"Hacer girar las partículas crea parches de vorticidad de tipo puntual en un fluido 3D", explicó Irvine. "El fluido debe girar a su vez para cerrar el campo de vorticidad. Cómo lo haría era una pregunta abierta, y se desconocía cuál era la dinámica de esos 'vórtices'.

"Al confinar nuestros rotores en un fluido de densidad similar y hacerlos girar utilizando un campo magnético externo, pudimos tomar datos de video a partir de los cuales pudimos observar varios comportamientos nuevos".

Curiosamente, los investigadores observaron que pequeñas asimetrías en la forma de una partícula podían deformar el vórtice que producía, lo que hacía que la partícula se autopropulsara dentro del fluido.

"Las simulaciones numéricas de partículas rotatorias de este tipo que se movían en un fluido viscoso mostraron una excelente concordancia con los experimentos, tanto en términos de la estructura del vórtice como de la velocidad de autopropulsión", explicó el investigador Michael Shelley, del Instituto Flatiron de Nueva York.

"Y cuando se combinaron con un análisis matemático de las ecuaciones de Navier-Stokes, las simulaciones mostraron que la autopropulsión surgió de la inclinación de una capa límite de presión, en sí misma una consecuencia de la rotación, a lo largo de la pared lateral de la partícula".

Fuente: https://phys.org/news/2024-11-tiny-rotating-particles-vorticity-viscous.html