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Un investigador español y otro británico resuelven la paradoja de Leonardo da Vinci

Dos profesores la Universidad de Sevilla y la Universidad de Bristol consiguen explicar la centenaria incógnita sobre la inestabilidad en la trayectoria de una burbuja de aire cuando asciende en el agua.

Burbujas bajo el agua. / Pixnio

El experto en mecánica de fluidos Miguel Ángel Herrada, de la Universidad de Sevilla, ha descubierto junto al profesor Jens G. Eggers, de la Universidad de Bristol (Reino Unido), un mecanismo que explica el movimiento inestable de las burbujas que se elevan en el agua.

Los resultados, publicados en la revista PNAS, pueden ser útiles para comprender el movimiento de partículas, ya que su comportamiento es intermedio entre un sólido y un gas.

Leonardo da Vinci observó hace ya cinco siglos que las burbujas de aire, si son suficientemente grandes, se desvían periódicamente del movimiento en línea recta, ya sea en zigzag o en espiral. Sin embargo, aún no se había encontrado una descripción cuantitativa del fenómeno ni un mecanismo físico que lo explicara.

Esbozo de Leonardo donde se ilustra el movimiento en espiral de una burbuja ascendente y radiografía de la estructura del movimiento de agua alrededor de la burbuja para el radio crítico. / Codex Leicester/US

Las burbujas de aire se desvían de la línea recta al ascender en el agua si su radio supera los 0,926 milímetros

Los autores de este nuevo estudio 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 modelos concuerdan con mediciones de alta precisión del movimiento inestable de las burbujas.

El desvío se produce si el radio esférico de las burbujas supera los 0,926 milímetros, un resultado dentro del 2 % de los valores experimentales obtenidos con agua ultrapura en los años noventa.

Herrada y Eggers proponen un mecanismo para la inestabilidad de la trayectoria de la burbuja en el que su inclinación periódica cambia la curvatura. Esto afecta a la velocidad de ascenso y provoca un bamboleo en la trayectoria de la burbuja: la curvatura aumenta y el lado de la burbuja se inclina hacia arriba.

A continuación, a medida que el fluido se mueve más deprisa y la presión del fluido desciende alrededor de la superficie de alta curvatura, el desequilibrio de presión devuelve la burbuja a su posición original, reiniciando el ciclo periódico.

Referencia

Herrada, M.A. et al. “Path instability of an air bubble rising in water”. PNAS (2023)

Fuente:
US
Derechos: Creative Commons.
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