REMOLINOS DE FUEGO AZUL SOBRE PETRÓLEO CRUDO

2017-07-30_18.51.26
CÓMO LIMPIAR LAS MAREAS NEGRAS

Un modo de combustión enigmática y de gran potencial

La combinación del poder de los tornados con el de las llamas hace que pocas cosas resulten más destructivas que los remolinos de fuego. Estos pueden causar desastres incluso en el entorno controlado y seguro de un laboratorio especializado.

Elaine Oran, de la Universidad de Maryland, y sus colaboradores estaban experimentando con remolinos de fuego después de observar un vídeo de uno de ellos sobre el agua. El vídeo mostraba el resultado de la descarga de un rayo en Kentucky sobre un almacén lleno de whisky, gran parte del cual se había esparcido sobre un lago cercano y se había incendiado. Al principio el alcohol ardió como un incendio en charco, sin girar.
A continuación se formó un extraño remolino de fuego. Oran observó cómo iba atrayendo hacia sí todo el combustible de la superficie, volviéndose cada vez más intenso.
Esa intensidad lo distinguía de los remolinos de fuego originados en incendios forestales, que tienden a producir humo negro con hollín. Otros vídeos confirmaron que los remolinos de fuego que arden por combustible líquido sobre agua producen más humo blanco a medida que se hacen más intensos, lo que indican menor cantidad de hollín y mayor eficiencia.
Así que el equipo comenzó a experimentar con remolinos de fuego a pequeña escala sobre al agua. Su recinto tiene un diámetro de 40 centímetros y una profundidad de solo algunos centímetros. Con dos semicilindros de cuarzo ligeramente descentrados para confinar el fuego y permitir que el aire circule verticalmente, el equipo rocío un poco de n-heptano (un componentes de la gasolina) sobre el agua, lo prendió con un encendedor de butano y se apartó.
Los investigadores a veces usan ventiladores para crear un vórtice, y a continuación añade incombustible y a prenden la mezcla. <<Si la geometría es correcta para crear el vórtice inicial, no se necesita añadir ninguna rotación>>. Poco después de comenzar el incendio en charco, se formó un remolino de fuego. Pero después de tan solo escasos segundos, este se transformó en un pequeño remolino azul, algo que nadie había visto antes.
Oran afirma; <<Creo que nadie había dejado que los remolinos de fuego se fortalecía se lo suficiente, especialmente los grandes, de manera que pudiera formarse el remolino azul>>.
La variación de la configuración y el empleo de paredes cuadradas de confinamiento, en lugar de dos semicilindros, no cambiaron para nada la formación del remolino, y tampoco se observó ningún cambio al usar otros combustibles. El remolino azul se originó sobre petróleo crudo, por lo que este tipo de remolinos podrían emplearse algún día para limpiar las mareas negras si, después de adquirir un buen conocimiento sobre ellos, se averigua como usarlos de manera segura.
Pero tal objetivo llevar a tiempo. Si bien los experimentos de combustión son bastante sencillos, Oran afirma que <<lo difícil es el diagnóstico>>. Todavía se desconoce la temperatura en el interior de los remolinos azules, aunque se especula que alcanzará unos 2000 grados centígrados. Nadie comprende aún la estructura y la forma del remolino azul, si se puede generar directamente o debe existir previamente un remolino de fuego, o si se forma a mayores escalas. Las simulaciones por ordenador revisten una enorme importancia en este caso, ya que permitirían saltarse algunos pasos.
Así que aún hay mucha física que investigar para comprender este fenómeno. Oran lo describe como <<una pequeña bestia hambrienta que se desplaza devorando lo todo>>. O quizá no: << no sabemos la cantidad de combustible que realmente arde en este remolino azul y cuánta se evapora. Se han de hacer medidas>>.

Los remolinos azules apenas se producen en la naturaleza, pero se forman fácilmente en espacios cerrados o semicerrados. Ante una ligera variación en el volumen de combustible que los alimenta, pueden pasar de tener unos 6 centímetros de altura (imagen de portada arriba a la derecha) a multiplicarse por diez su tamaño (imagen de portada a la izquierda).

Una llama amarilla indica la producción de hollín (llama que se origina en el interior antes de convertirse en tal remolino como el de la imagen de abajo a la derecha). Eso hace pensar que, cuando un remolino de fuego formado al inyectar y encender combustible sobre agua se transforma en un remolino azul (imagen derecha abajo), el fenómeno obedece a que el combustible arde de manera más eficiente. Pero, sin conocer con detalle su composición, es imposible saber cuánto combustible se quema y cuánto se vapora de la superficie del agua. La parte inferior curvada del remolino azul, y su parte superior convexa, de color más claro, sugieren a los expertos en dinámica de fluidos que el vórtice que condujo a la formación del remolinos azul estaría desapareciendo. Sin embargo, mientras se suministre un flujo constante de combustible al remolino azul (a través de un tubo situado debajo de la superficie del agua), continuará girando en un tranquilo estado estacionario.

 

Fuente: Procedings of the National Academy of Sciences of the U. S.A. Robert Frederick agosto de 2016

 

Anuncios

FÍSICA DE LAS TELARAÑAS

2017-07-23_15.34.46
JUEGO DE FÍSICA DE LAS TELARAÑAS

La seda de estos arácnidos  debe algunas de sus asombrosas propiedades a un revestimiento líquido, el cual ayuda a preservar la telaraña y, al mismo tiempo, contribuye a tensar los hilos

 Curiosidades de física y juego de física a partir de los 3 años de edad

Las telas de araña pueden provocar reacciones opuestas. En ocasiones, sus pegajosos  hilos nos causan repugnancia, como cuando descubrimos grandes nidos de polvo en las esquinas de una habitación o cuando se nos quedan enganchados al tocarlos. En otras, en cambio, la estética de una telaraña circular perfectamente tensada puede resultar cautivadora. Así ocurre cuando las vemos cubiertas de rocío o cuando despliegan un iridiscente juego de colores a la luz del sol.
Hace decenios que los científicos se interesan por este sorprendente material. ¿Qué lo hace tan elástico y, al mismo tiempo, tan estable?  Hay dos razones por las que resulta tan difícil quitar las telarañas: son pegajosas y muy extensibles. Como veremos ambas propiedades se encuentran estrechamente relacionadas.

Collares de perlas microscópicos

Las arañas construyen su tela a partir de una solución (secreción de espidroína, una especie de cristal líquido) que expulsan de su abdomen. En contacto con el aire, la mezcla se solidifica de inmediato y da lugar a una fibra extraordinariamente resistente. Las arañas pueden producir diferentes tipos de hilo en función del uso que vayan a darle. Para la estructura básica de la tela, numerosas especies, como la araña de jardín Europea, tejen y los radiales. Estos son muy rígidos y enseguida se comban si acercamos sus extremos, aunque solo sea en un pequeño porcentaje.
Sobre esta estructura radial, la araña fija continuación una espiral fabricada con un <<hilo de captura>>. Al contrario que los primeros, éste seguirá estando tenso incluso si lo contraemos hasta un 5% de su longitud original. Esta propiedad resulta óptima para capturar presas, ya que incluso aquellos insectos que chocan contra la telaraña a gran velocidad sólo la de formar al, en lugar de romperla. Por otro lado, que no resbalen por la malla ni se han catapultado en sentido opuesto, como en una cama elástica, se debe a otra importante característica de los hilos de captura: se hayan cubiertos de diminutas gotitas adhesivas, las cuales retienen cruelmente a la presa y evitar que escape. Esos puntos adhesivos se distribuyen a lo largo del hilo a intervalos muy regulares, como las perlas de un collar. Sin embargo, no es la araña la que debe encargarse de disponerlos en esa forma: el ribete de gotitas se crea en manera espontánea por pura necesidad física.
La araña expele el hilo de captura por el abdomen, al igual que ocurrirá con el hilo radial seco. Pero, ahora, lo recubre de modo uniforme con una solución viscosa. Esta se compone en un 80% de agua; el resto lo forman aminoácidos, lípidos y sales. Sin embargo, estos << cilindros líquidos>> solo serán estables si su longitud no resulta demasiado grande en comparación con su grosor. Si se estiran mucho más, las pequeñas perturbaciones que surjan en el recubrimiento comenzarán a oprimirlo transversalmente. Y, como consecuencia de la tensión superficial, lo que en un principio adoptaba la forma de un cilindro se dividirá en una sucesión de gotas más o menos equidistantes.
Como en tantos otros procesos, el mecanismo responsable de que esto ocurra no es otro que la segunda ley de la termodinámica: el afán de la naturaleza por ceder la mayor cantidad de energía posible al entorno. Una geometría esférica minimiza la superficie de contacto con el aire, por lo que de esta manera se libera el exceso de energía superficial. La razón de que no se formen cotas completamente esférica se debe a que la fibra central del hilo es hidrófila, por lo que siempre continuará recubierta por una película de líquido.
Un sencillo experimento casero nos permitirá recrear ese proceso de división del fluido viscoso.
– introduzcamos el dedo índice en un frasco lleno de miel líquida y, después, pasemos un sedal fino entre el pulgar y la punta del dedo internada de miel, de modo que el hilo de nailon quede recubierto por el dulce de manera tan uniforme como sea posible. Ahora, si pensamos horizontalmente el hilo, podremos comprobar que la capa de miel comenzará a dividirse en pequeñas gotas.

Seda elástica

Sin embargo, la comparación con el hilo de una araña acaba aquí. A diferencia de lo que ocurre con el sedal, la fibra central de la telaraña, de grosor microscópico, comenzará ahora a contraerse debido a la aparición de ciertas fuerzas. Estas surgen como consecuencia de la mínima acción de la superficie del recubrimiento acuoso y son las que, en última instancia, confieren a los silos su gran elasticidad.

Podemos visualizar el fenómeno con ayuda de un ejemplo. Cuándo dos fibras radiales de la red se acercan, el hilo de captura que las conecta se afloja. Pero, en lugar de combarse, permanecerá tenso, ya que ahora el recubrimiento líquido cederá energía al entorno disminuyendo su longitud, lo que vuelve a reducir la superficie de contacto con el aire. El cilindro líquido puede acortarse porque la fibra Central, extremadamente flexible e hidrófila, se ajusta a la nueva longitud formando una maraña en el interior de la gota. Además, el proceso libera energía de un modo complementario, ya que, en entornos acuosos, la fibra tiende a contraerse y formar una madeja. Por último, las botas ofrecen espacio suficiente para que eso ocurra, dado que su acortamiento provoca que crezca y se unan. De esta manera, el hilo o pondrá ahora resistencia a un nuevo alargamiento, ya que se necesitaría energía mecánica para estirarlo y devolver a la capa húmeda la energía superficial liberada.
La elasticidad de la seda de araña no se debe a una propiedad intrínseca del material, sino que obedece fundamentalmente a las características del recubrimiento líquido. Por cierto: el factor determinante es la cantidad de agua presente en el fluido; el resto de las sustancias no desempeñan ningún papel. Se ha demostrado que un hilo radial mojado se comporta como un hilo de captura y, a la inversa, que un hilo de captura seco pierde sus propiedades elásticas.

Los hilos de una telaraña se tornan claramente visibles cuando aparecen recubiertos de rocío ( imagen de la derecha) o cuando brillan a la luz de nuestra estrella el Sol ( imagen abajo a la izquierda). Tal y como ocurre con el recubrimiento viscoso de las tela de araña, una capa de miel dispuesta sobre un hilo de nailon tensado ( imagen arriba a la izquierda) acabará dividiéndose espontáneamente en una secesión de gotas.

Fuente: H. Joachim Shlichting; ex director del Instituto de Didáctica de la Física de la Universidad de Münster y Fritz Vollrath en lyC mayo de 1992.
Origen: Modulation of the mechanical properties of spider silk by coating with water. Fritz Vollrath y Donald T. Edmonds en Nature, julio de 1989.

 

 

FÍSICA JUEGOS Y CURIOSIDADES

2017-05-22_14.22.52
JUEGOS Y CURIOSIDADES DE FÍSICA

EL LÍQUIDO CONTENIDO EN UN VASO INVERTIDO cuya boca se encuentra tapada con una hoja de cartón (la primera imagen a la izquierda) o con una gasa o malla fina (la primera imagen a la derecha) no se derrama. En cambio, si retiramos el cartón o la gasa, el líquido caerá a pesar del equilibrio inicial entre presiones. El proceso se debe a que la interfaz líquido-aire se torna inestable.
INTERFACES INESTABLES

En un vaso de agua puesto boca abajo , la presión atmosférica debería compensar el peso del fluido. ¿Por qué se derrama?

La bebida contenida en una pajita no fluye si tapamos el extremo superior.
En cambio, resulta imposible mantener esa misma bebida en un vaso puesto en vertical y boca abajo. ¿Por qué? La respuesta la hallamos en la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, la cual afecta a la interfaz entre dos fluidos cuando el que se encuentra situado encima es más denso que el de abajo. Dicha inestabilidad se manifiesta en las botellas agujereadas, en los vasos puestos al revés, en las lámparas de lava o en los magníficos jaspeados del artista mexicano David Alfaro Siqueiros (1896-1974).
Ahora aprendamos cómo efectuar un sencillo experimento. Echemos agua en un vaso sin llenarlo del todo, tapemos la boca con un trozo de cartón y pongamos el conjunto boca abajo, sujetando el cartón para que no fluya el agua. Cuando la hoja vuelva encontrarse en posición horizontal, aguántala  en esa posición. Veremos que no cae, sino que continúa pegada al vaso, sin que el líquido se derrame. ¿Cómo explicarlo?
Se trata de un simple equilibrio de presiones. Cuando el vaso está boca arriba, el aire que se encuentra sobre el agua se halla a presión atmosférica. Entonces, la presión en el fondo del recipiente será igual a dicha presión más la presión hidrostática correspondiente a la altura de la columna de agua. Supongamos que esta sea de unos 5 centímetros. La presión hidrostática valdrá entonces el 0,5% de la presión atmosférica (en el agua, la presión aumenta una atmósfera por cada 10 metros de profundidad).
Una vez que se invierte el vaso y se suelta la hoja, la presión sobre esta rebasa levemente la presión atmosférica. Como consecuencia, el conjunto formado por el líquido y la hoja comienza a caer en bloque. Cuando esto ocurre, el volumen del aire contenido en el vaso aumenta, su presión disminuye y, cuando esta se ha reducido en un 0,5%, la presión a ras de la hoja se iguala a la atmosférica, por lo que la caída se detiene. Sí la altura del aire situado encima del agua era de un centímetro, pongamos por caso, podemos calcular con facilidad que el conjunto agua-hoja habrá descendido en una imperceptible vigésima de milímetro.
¿Qué sucede si retiramos el cartón tirando de él con rapidez en la dirección horizontal? Lo dicho hasta ahora nos llevaría a pensar que el agua puede permanecer en el vaso: puesto que coma tras la minúscula caída, la presión en la interfaz aire-agua es la misma en el aire y en el líquido, el equilibrio mecánico parece asegurado. No obstante, la experiencia muestra que dicho equilibrio es inestable: al retirar el cartón, el agua se derramara. En cambio, si sustituimos el cartón por una malla fina, un tejido o una gasa tensos, el equilibrio persistirá. ¿A qué se debe este fenómeno?

INESTABILIDADES Y TENSIÓN SUPERFICIAL
Para entenderlo, imaginemos que la interfaz entre dos fluidos sufre una pequeña perturbación, la cual podemos imaginar como ondulaciones muy leves de amplitud +A y -A con respecto a un nivel medio. El fluido más denso (el agua, en nuestro caso), de densidad ρ¹³, se encuentra situado sobre el segundo, de densidad ρ² (donde ρ¹ > ρ²).
En los valles con respecto a la línea horizontal Media, la altura de la columna de fluido denso aumenta en A. Por lo cual, la presión hidrostática en ese lugar se incrementará en (ρ¹ -ρ²) gA con respecto a la presión media, donde se denota la aceleración de la gravedad. En las crestas ocurre lo contrario: la presión disminuye en la misma cantidad. Por tanto, en los valles la interfaz se ve  impulsada hacia abajo, mientras que en las crestas es <<aspirada>> hacia arriba. En otras palabras: las ondulaciones se amplifican, lo que desestabiliza la interfaz. Este fenómeno se conoce como inestabilidad de Rayleigh-Taylor así llamada en honor de los físicos ingleses John Rayleigh (1842-1919) y Geoffrey Taylor (1886-1975).
Pero, ¿ cómo explicamos que, si empleamos una malla fina para contener el agua, la interfaz entre ambos fluidos permanezca estable? Ello se debe a que en este caso interviene la tensión superficial, la cual se opone a todo aumento de área de la interfaz. Cuando la superficie no es plana, la tensión superficial genera una sobrepresión en las partes cóncavas con respecto a las convexas, la cual propicia un desplazamiento de los fluidos que tiende a aplanar la interfaz, como si se tratase de una superficie elástica.
Tales sobrepresiones solo contrarrestan los efectos de la presión hidrostática si la amplitud característica de las ondulaciones, o de la perturbación de la interfaz, resulta inferior a la llamada <<longitud de capilaridad>>. Para una interfaz aire-agua, dicha cantidad asciende a unos 3 milímetros. En la práctica, eso significa que, en un orificio de ese diámetro, predomina la tensión superficial y la interfaz resulta estable. En cambio, en un orificio mayor se impone la gravedad: aparece la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y la interfaz se desestabiliza. Por otro lado, la tensión superficial es también la responsable de que, en nuestro primer experimento, el agua no se cuele por el pequeño intersticio entre la hoja de cartón y el canto del vaso.

LÁMPARAS DE LAVA Y OBRAS DE ARTE

Lo que ocurre una vez iniciada la inestabilidad de Rayleigh-Taylor depende de numerosos parámetros, los más destacados de los cuales son la viscosidad de los fluidos y la tensión superficial de la interfaz. La penetración de un fluido en el otro puede tener lugar mediante la formación de <<dedos>>, los cuales crecen hasta adoptar un aspecto similar al de una seta o se desprenden formando burbujas.
Eso es lo que se observa en las lámparas de lava, tan de moda hace unas décadas. En estos objetos, a temperatura ambiente hay una mezcla de aceites minerales, parafina y tetracloruro de carbono situada bajo una capa de agua. El conjunto se halla encima de una lámpara. Cuando esta se enciende, la interfaz de ambos fluidos se encuentra perfectamente horizontal.
Transcurrido un tiempo, el caldeo causado por la lámpara dilata el fluido situado en la parte inferior. Este se torna menos denso, aparece la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y el líquido se le va lentamente en forma de burbujas impulsadas por el empuje de Arquímedes. Al llegar a lo alto de la lámpara, el fluido se enfría, su densidad aumenta y regresa al fondo, con lo que el ciclo se repite.
Las obras de David Alfaro Siqueiros nos ofrecen otro ejemplo en el que la inestabilidad de Rayleigh-Taylor desempeña un papel clave. En 1936, el artista mexicano inventó una técnica a la que llamó <<pintura accidental>>. Sobre un lienzo horizontal, (imagen tercera abajo de la portada) se vierte una primera capa de pintura que se deja extender progresivamente hasta alcanzar un espesor de entre uno y dos milímetros. Luego, sobre esa primera capa se vierte una segunda, de otro color y, sobre todo, algo más densa. En un principio, esta cubrirá a la primera. Pero, al cabo de algunas decenas de segundos, la inestabilidad de Rayleigh-Taylor para que el primer color reaparezca formando figuras al azar, las cuales van aumentando de tamaño hasta que la primera se seca.
Hace poco, el análisis y las mediciones de los físicos han permitido confirmar los tamaños típicos que alcanzan estas figuras, los cuales dependen principalmente de las densidades de los fluidos y de su tensión superficial. Aunque, desde luego, tales estudios no permiten explicar la potencia estética de  obras como Suicidio colectivo o El nacimiento del fascismo.

LA INESTABILIDAD DE RAYLEIGH-TAYLOR aparece en la interfaz entre dos fluidos (segunda imagen de la portada) cuando el que se encuentra situado arriba (azul oscuro) es más denso que el de abajo (azul claro). Aunque la interfaz sea inicialmente plana y horizontal (a), la aparición de pequeñas perturbaciones resulta inestable (b). En un valle, la presión que ejerce el fluido más denso supera a la presión media P m’ por lo que el valle se agranda; de igual modo, las crestas también crecen, ya que en ellas la presión es inferior a la media (c). Como consecuencia, la interfaz entre ambos fluidos se desestabiliza y uno penetra en el otro (d, e).

Fuente: Jean-Michel Courty y Édouard Kierlik, profesores de física en la Universidad Pierre y Marie de París.

Juega con tus hijos, nietos y sobrinos a este juego. En casa hemos disfrutado al máximo y, sin duda lo volveremos a repetir en otras ocasiones.