A primera vista podría parecer que la forma en la que se fragmentan los líquidos cuando se convierten en sólidos al enfriarse podría ser algo aleatorio y poco trascendente. Sin embargo, tiene mucha importancia, tanto para comprender procesos naturales, pensemos en el enfriamiento de un magma volcánico, como económicos, por ejemplo, en el enfriamiento de recubrimientos cerámicos, desde la fabricación de azulejos al rendimiento de los frenos de un coche de competición.

La capacidad de predecir la dinámica de la fragmentación de un material permite el control preciso de la respuesta del material a los procesos de enfriamiento, lo que puede tener multitud de aplicaciones prácticas. Por esto es tan interesante el trabajo que Elisabeth Ghabache, del Institut Jean Le Rond d’Alembert (Francia), y sus colaboradores que han estudiado tanto teórica como experimentalmente la fragmentación de gotas de agua que se congelan al impactar contra una superficie fría.

Los investigadores dejaron caer gotas de agua sobre una superficie de acero inoxidable a temperaturas estables de entre 0ºC y -60ºC y grabaron el proceso de solidificación con cámaras de alta velocidad.

El contacto entre las gotas y el acero limita la capacidad de las gotas para contraerse cuando se congelan, y las tensiones mecánicas resultantes hacen a menudo que las gotas se fracturen en unos pocos milisegundos. Ghabache y sus colegas observaron que las estructuras de las superficies corresponden a una de tres posibilidades: una superficie lisa sin fracturas, muchas fracturas pequeñas que parten de un solo punto de nucleación, o fracturas jerárquicas en las que aparecen pocas rajas grandes que forman ángulos más o menos rectos entre sí.

Para explicar las observaciones los investigadores emplearon leyes clásicas de escalado para fracturas, con las que consiguen un modelo que encaja con los tres tipos de regímenes de solidificación. Como era previsible el modelo indica que la temperatura de la superficie de acero y, por lo tanto, la velocidad de enfriamiento, es una variable clave. Es precisamente la velocidad de enfriamiento la que hace que la masa de agua sobre la superficie sea más gruesa (le da menos tiempo a extenderse) y determine el tamaño más pequeño posible de los fragmentos en los que se rompe.

Referencia:

E. Ghabache et al (2016) Frozen Impacted Drop: From Fragmentation to Hierarchical Crack Patterns Phys Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.117.074501

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

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