Un modelo para la máquina de coser fluidodinámica, o como untar miel con conocimiento

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Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Si intentas verter algo de miel sobre una tostada directamente desde el tarro intuitivamente modificarás la velocidad relativa de tarro y tostada, la inclinación del tarro y puede que la de la tostada para conseguir que la miel se deposite en la cantidad y lugares deseados. También es muy probable que si no tienes mucha práctica el resultado sea un poco pringoso.

Verter un fluido viscoso sobre algo que se mueve es una práctica habitual en la industria alimentaria: llenado de envases, rellenos, coberturas, decoraciones, etc. Casi cualquier cosa susceptible de adoptar forma líquida sin pérdida significativa de propiedades será manipulada de esta manera. Esta situación también se presenta en las impresoras 3D y, por poner un caso extremo, en el tendido de fibras ópticas submarinas.

El resultado de este tipo de vertido se asemeja a una máquina de coser, en el sentido de que, dependiendo de la velocidad de paso de la superficie receptora obtendrás diferentes formas del fluido depositado. El hilo puede formar pespuntes, entrecruzados, hilvanados y el fluido desde líneas rectas a rizos o volutas, hasta llegar a volutas barrocas y hasta rococós.

La cuestión es que en la industria, en los laboratorios y en los tendidos de cable se trabaja igual que con la miel y la tostada, por ensayo y error, en base a la experiencia adquirida. Y ello se debe a que no existía un modelo físico capaz de reproducir el comportamiento de la máquina de coser fluidodinámica, que es el nombre en jerga del problema.

Y eso es precisamente lo que ha presentado un equipo de investigadores encabezados por Pierre-Thomas Brun de la Universidad Pierre & Marie Curie – París, en Physical Review Letters, un modelo que puede predecir las figuras que crean un fluido viscoso y sistemas asimilables cuando caen sobre una superficie en movimiento. El trabajo puede tener aplicaciones en la optimización de multitud de procesos industriales.

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Lo más interesante del modelo es que el sistema puede describirse por ecuaciones que dependen solo de unas pocas “variables de estado”, como la posición en la que el chorro impacta la superficie y su ángulo en el punto de contacto. Al igual que las variables de estado termodinámicas de un gas (temperatura, presión o volumen), estas variables describen el estado actual del sistema así como su comportamiento futuro.

En este modelo la altura desde la que cae el fluido o la velocidad de la superficie son parámetros que se pueden ajustar, y dependiendo de ellos el modelo predice en qué fases entrará el sistema, cada una de las cuales corresponde a la formación de una configuración concreta de rizos y volutas o, por encima de una velocidad crítica, de una línea recta. El modelo reproduce con éxito las características observadas en los experimentos.

El modelo también es aplicable a hilos sólidos delgados y podría ser muy útil para guiar la fabricación de microestructuras en las que se empleen fibras o tejidos.

Referencias:

P.-T. Brun, Basile Audoly, Neil M. Ribe, T. S. Eaves, & John R. Lister (2015) Liquid Ropes: A Geometrical Model for Thin Viscous Jet Instabilities Phys. Rev Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.174501

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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