La espuma detiene el movimiento de los líquidos

20160913170942 detail

Mover un vaso de cerveza a menudo deja su contenido con un chapoteo de ida y vuelta, pero el vaivén termina deteniéndose y la bebida se asienta sin que la espuma manche la nariz de la persona que la bebe. Resulta que la espuma ayuda a detener el chapoteo y ahora un equipo de físicos ha descubierto por qué.

El análisis, publicado esta semana en 'Physics of Fluids', revela un efecto sorprendente sobre la superficie del agua que contradice el pensamiento convencional y profundiza en el entendimiento del papel de las fuerzas capilares.

La acción o movimiento capilar o la capilaridad describe todo, desde cómo la tinta llena una pluma estilográfica hasta cómo algunos insectos pueden caminar sobre el agua. Es el resultado de la tensión superficial, explicando cómo se forman las gotitas y cómo la superficie de un líquido se adhiere a un lado de un recipiente, formando una pendiente llamada menisco.

"Esas fuerzas capilares son pequeñas, pero son muy importantes a medida que los tamaños o los movimientos se vuelven pequeños", afirma Pierre-Thomas Brun, matemático del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos. Son estos efectos, según hallaron los investigadores, los que amortiguan el chapoteo del agua cubierta por una capa de espuma.

Los nuevos resultados pueden emplearse con el tiempo, según los autores de este trabajo, "para prevenir el derrame de líquidos en un recipiente, como el combustible del depósito de cohetes o el petróleo de un buque de carga", dos situaciones en las que el derrame podría desestabilizar el vehículo.

Cuando cualquier líquido se mueve hacia atrás y adelante en un recipiente, la energía se disipa y las olas se hacen más pequeñas y más pequeñas. Pero según la teoría anterior, estas oscilaciones disminuyen de manera exponencial, lo que significa que, aunque la amplitud de las ondas se reduce, en realidad nunca se desvanece. En principio, el vaivén, literalmente, sería interminable.

UNA DISIPACIÓN DEL MOVIMIENTO MÁS RÁPIDA DE LO ESPERADO

En el mundo real, por supuesto, el movimiento se detiene y los físicos han asumido que deben entrar en juego algunos otros efectos para detener las oscilaciones. Sin embargo, nadie sabía exactamente cuáles eran esos efectos que influyen en la parada de ese vaivén.

Se ha sabido que la espuma reduce el movimiento de los líquidos, por lo que los investigadores centraron su atención en la espuma de jabón en el agua. A partir de un análisis teórico y experimentos, los científicos encontraron que los efectos capilares de la espuma inducen pequeños gradientes de presión cerca de las paredes del recipiente, lo que conduce a pequeños movimientos en el líquido que reducen el chapoteo.

Sorprendentemente, esta amortiguación ocurre mucho más rápido que la disminución exponencial esperada. De hecho, las ondas se amortiguan más y más a medida que oscilan. "Vimos algo que no podíamos creer", dice François Gallaire, físico de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en Suiza.

Cuanto más lenta es la velocidad del chapoteo, más fuerte es la velocidad de disipación. Al tener en cuenta los efectos capilares, las nuevas ecuaciones muestran que el chapoteo se detiene después de un tiempo finito contrario a la teoría anterior.

Aunque los investigadores sólo hicieron su análisis con agua jabonosa, conjeturan que los líquidos sin espumas deben comportarse de la misma manera, sólo que es más difícil de detectar. La presencia de espuma amplifica estos efectos capilares. Debido a que la espuma está hecha de muchas pequeñas burbujas con más interfaces entre el líquido y el aire, estos efectos capilares son más fuertes. Los investigadores continúan ahora su análisis sobre líquidos sin espuma.