El movimiento de las burbujas de gas, sea este aire o dióxido de carbono, en el agua juega un papel central en una amplia gama de fenómenos naturales. La cerveza, los vinos espumosos, los refrescos carbonatados, los gases en la sangre de un buceador o las burbujas que salen de su boquilla, por no mencionar muchos procesos químicos industriales, dependen, de una forma u otra de cómo ascienden las burbujas en el agua. De hecho, es un fenómeno muy estudiado, tanto experimental como teóricamente, pero no del todo resuelto.

Sin embargo, a pesar de estos esfuerzos, y disponiendo hoy día de una enorme potencia computacional, no ha sido posible reconciliar los experimentos con simulaciones numéricas de las ecuaciones hidrodinámicas completas para una burbuja de aire deformable en el agua. Esto es especialmente cierto para la observación, documentada ya por Leonardo da Vinci, de que las burbujas de aire suficientemente grandes no ascienden en línea recta, sino que realizan un movimiento periódico.

De hecho, una burbuja de aire ascendente presenta grandes desafíos numéricos y teóricos. En primer lugar, la pequeña viscosidad del agua implica la aparición de finas capas límite, que deben resolverse con precisión para capturar la interacción entre la flotabilidad y la disipación, que establece la velocidad de ascenso. En segundo lugar, la capacidad del fluido exterior para deslizarse sobre la superficie de la burbuja sin fricción (el efecto del gas concreto puede despreciarse) significa que los efectos viscosos surgen solo debido a la curvatura de la línea de flujo, cuyo sutil efecto debe capturarse con precisión. En tercer lugar, y lo más importante, la burbuja se deforma en respuesta a las fuerzas ejercidas por el fluido y, a su vez, la forma de la burbuja cambia el carácter del flujo.

Todos estos factores, que cualitativamente se pueden describir con tanta facilidad, hasta ahora se habían resistido a ser incluidos en un modelo matemático que respondiese a los resultados experimentales. Un reciente trabajo de Miguel Ángel Herrada (Universidad de Sevilla) en colaboración con Jens Eggers (Universidad de Bristol) parece haber encontrado una solución.

Los autores han desarrollado una técnica de discretización numérica para caracterizar con precisión la interfaz aire-agua de la burbuja, lo que permite simular su movimiento y estudiar su estabilidad. Sus simulaciones concuerdan bien con mediciones de alta precisión del movimiento inestable de las burbujas e indican que estas se desvían de la trayectoria recta en el agua si su radio esférico supera los 0,926 milímetros, un resultado que solo se desvía un 2% de los valores experimentales obtenidos con agua ultrapura en los años noventa, cuando se estudió de forma sistemática el fenómeno.

Los investigadores proponen un mecanismo para la inestabilidad de la trayectoria de la burbuja en el que una inclinación periódica de esta cambia la curvatura, lo que afecta a la velocidad de ascenso y provoca un bamboleo en su trayectoria, inclinando hacia arriba el lado de la burbuja cuya curvatura ha crecido. A continuación, a medida que el fluido se mueve más deprisa y su presión desciende alrededor de la superficie de alta curvatura, el desequilibrio de presión devuelve la burbuja a su posición original, reiniciando el ciclo periódico.

Este comportamiento es intermedio entre el de un sólido y el de burbujas pequeñas de gas que, en ambos casos, se pueden considerar indeformables a efectos prácticos.

Referencia:

Miguel A. Herrada and Jens G. Eggers (2023) Path instability of an air bubble rising in water PNAS doi: 10.1073/pnas.2216830120

Para saber más:

El frío de las burbujas
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Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance