Los científicos revelan que la turbulencia elástica tiene más en común de lo esperado con la turbulencia newtoniana clásica

La sangre, la linfa y otros líquidos biológicos pueden tener propiedades sorprendentes y a veces preocupantes. Muchas de estas soluciones biológicas son fluidos no newtonianos, un tipo de líquido que se caracteriza por una relación no lineal entre tensión y deformación. En consecuencia, los fluidos no newtonianos no necesariamente se comportan como cabría esperar de un líquido. Por ejemplo, algunos de estos fluidos peculiares se deforman cuando se tocan ligeramente, pero actúan casi como un sólido cuando se les aplica una fuerza fuerte.

Y las soluciones biológicas no son una excepción cuando se trata de propiedades únicas; una de ellas es la turbulencia elástica. Término que describe el movimiento caótico de un fluido que resulta de la adición de polímeros en pequeñas concentraciones a líquidos acuosos. Este tipo de turbulencia existe sólo en fluidos no newtonianos.

Su contraparte es la turbulencia clásica, que ocurre en los fluidos newtonianos, por ejemplo en un río cuando el agua a gran velocidad pasa por el pilar de un puente. Si bien existen teorías matemáticas para describir y predecir la turbulencia clásica, la turbulencia elástica aún espera tales herramientas a pesar de su importancia para muestras biológicas y aplicaciones industriales.

«Este fenómeno es importante en microfluidos, por ejemplo cuando se mezclan pequeños volúmenes de soluciones poliméricas que pueden resultar difíciles. No se mezclan bien debido al flujo muy suave», explica el Prof. Marco Edoardo Rosti, jefe de Fluidos y Flujos Complejos. Unidad.

Hasta ahora, los científicos pensaban que la turbulencia elástica era completamente diferente de la turbulencia clásica, pero la publicación del laboratorio en la revista Comunicaciones de la naturaleza podría cambiar esta visión. Los investigadores de OIST trabajaron en colaboración con científicos de TIFR en India y NORDITA en Suecia para revelar que la turbulencia elástica tiene más en común con la turbulencia newtoniana clásica de lo esperado.

«Nuestros resultados muestran que la turbulencia elástica tiene una ley de potencia universal de disminución de la energía y un comportamiento intermitente hasta ahora desconocido. Estos hallazgos nos permiten mirar el problema de la turbulencia elástica desde un nuevo ángulo», explica el profesor Rosti. Al describir un flujo, los científicos suelen utilizar un campo de velocidades. «Podemos observar la distribución de las fluctuaciones de velocidad para hacer predicciones estadísticas sobre el flujo», dice el Dr. Rahul K. Singh, primer autor de la publicación.

Al estudiar la turbulencia newtoniana clásica, los investigadores miden la velocidad en todo el flujo y utilizan la diferencia entre dos puntos para crear un campo de diferencia de velocidad.

«Aquí medimos la velocidad en tres puntos y calculamos las segundas diferencias. Primero, se calcula una diferencia restando las velocidades de los fluidos medidas en dos puntos diferentes. Luego restamos dos de esas primeras diferencias una vez más, lo que nos da la segunda diferencia», explica el Dr. .Singh.

Este tipo de investigación presentó un desafío adicional: ejecutar estas complejas simulaciones requiere el poder de supercomputadoras avanzadas. «Nuestras simulaciones a veces duran cuatro meses y generan una enorme cantidad de datos», dice el profesor Rosti.

Este nivel adicional de detalle condujo a un hallazgo sorprendente: que el campo de velocidades en la turbulencia elástica es intermitente. Para ilustrar cómo se ve la intermitencia en el flujo, el Dr. Singh utiliza el electrocardiograma (ECG) como ejemplo.

«En una medición de ECG, la señal tiene pequeñas fluctuaciones interrumpidas por picos muy agudos. Este gran estallido repentino se llama intermitencia», dice el Dr. Singh.

En los fluidos clásicos, estas fluctuaciones entre valores pequeños y muy grandes ya se habían descrito, pero sólo para las turbulencias que se producen a altas velocidades de flujo. Los investigadores se sorprendieron al encontrar ahora el mismo patrón en la turbulencia elástica que se produce a velocidades de flujo muy pequeñas. «A estas bajas velocidades no esperábamos encontrar fluctuaciones tan fuertes en la señal de velocidad», dice el Dr. Singh.

Sus hallazgos no sólo son un gran paso hacia una mejor comprensión de la física detrás de la turbulencia de baja velocidad, sino que también sientan las bases para desarrollar una teoría matemática completa que describa la turbulencia elástica. «Con una teoría perfecta, podríamos hacer predicciones sobre el flujo y diseñar dispositivos que puedan alterar la mezcla de líquidos. Esto podría resultar útil cuando se trabaja con soluciones biológicas», afirma el profesor Rosti.