{"id":26821,"date":"2022-04-05T09:02:08","date_gmt":"2022-04-05T15:02:08","guid":{"rendered":"https:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/?p=26821"},"modified":"2022-04-05T09:02:08","modified_gmt":"2022-04-05T15:02:08","slug":"fisica-de-materiales-lo-que-erosiona-a-una-roca-no-es-el-agua-sino-el-sonido","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/ciencia\/fisica-de-materiales-lo-que-erosiona-a-una-roca-no-es-el-agua-sino-el-sonido\/","title":{"rendered":"F\u00edsica de materiales: lo que erosiona a una roca no es el agua, sino el sonido"},"content":{"rendered":"<p class=\"has-drop-cap\" style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">El impacto de una gota de agua cuando choca con una roca genera una onda sonora que supera la velocidad del sonido: entonces explota y deteriora la superficie dura. Lao Tse dec\u00eda que lo que es fluido y blando vencer\u00e1 a lo que es r\u00edgido y duro. Ahora sabemos c\u00f3mo.<!--more--><\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">F\u00edsicos de Estados Unidos y Chile, utilizando una t\u00e9cnica de microscop\u00eda de estr\u00e9s de alta velocidad, han estudiado en detalle qu\u00e9 sucede con la superficie sobre la que cae una gota de l\u00edquido fluido cuya densidad siempre permanece constante (incompresible).<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Descubrieron que los perfiles espacio-temporales de las tensiones mec\u00e1nicas que surgen en esas condiciones difieren significativamente de los del impacto de bolas s\u00f3lidas.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Las caracter\u00edsticas identificadas por los cient\u00edficos explican las causas de la erosi\u00f3n caracter\u00edstica y la destrucci\u00f3n de las superficies sobre las que el agua gotea durante mucho tiempo. El estudio se publica en Nature Communications.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Es sabido que una secuencia suficientemente larga de impactos de gotas de agua sobre una superficie de piedra conduce a su erosi\u00f3n y destrucci\u00f3n.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><strong>Desde Lao Tse<\/strong><\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Lao Tse, uno de los fil\u00f3sofos m\u00e1s relevantes de la civilizaci\u00f3n china, llam\u00f3 la atenci\u00f3n sobre este hecho en el siglo V a. C., diciendo que, al igual que una gota de agua sobre una roca, lo que es fluido y blando termina venciendo a lo que es r\u00edgido y duro.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Adem\u00e1s de su significado filos\u00f3fico, los efectos de los impactos de las gotas son relevantes para una amplia gama de procesos naturales, ambientales y de ingenier\u00eda, incluida la erosi\u00f3n del suelo, la conservaci\u00f3n del patrimonio, el desgaste de las palas de las turbinas e\u00f3licas y de vapor, etc.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Aunque los f\u00edsicos conocen bien el mecanismo de da\u00f1o a las superficies s\u00f3lidas causadas por el impacto de gotas que vuelan a velocidades de varios cientos de metros por segundo, la comprensi\u00f3n de la erosi\u00f3n por impacto de gotas que ocurre en la mayor\u00eda de los casos naturales, est\u00e1 todav\u00eda en su m\u00e1s tierna infancia.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Muchos de los datos disponibles en la actualidad se han obtenido utilizando im\u00e1genes de alta velocidad y, por lo tanto, solo nos permiten juzgar la cinem\u00e1tica de la ca\u00edda.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Por otro lado, las investigaciones que estudiaron las propiedades din\u00e1micas de este proceso ten\u00edan una resoluci\u00f3n espacial y temporal insuficiente para identificar sin ambig\u00fcedades las causas de la erosi\u00f3n.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><strong>Limitaciones superadas<\/strong><\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Xiang Cheng, de la Universidad de Minnesota, y sus colegas de Estados Unidos y Chile, pudieron superar las limitaciones existentes y comprender los detalles de qu\u00e9 procesos din\u00e1micos provocan una peque\u00f1a gota de agua cuando golpea una superficie dura.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Estudiaron c\u00f3mo se propaga el estr\u00e9s a trav\u00e9s de la superficie y profundidad de un s\u00f3lido y lo compararon con los efectos de una bola de acero que cae. Result\u00f3 que la gota de l\u00edquido act\u00faa sobre el sustrato de una manera fundamentalmente diferente y compleja.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">La idea del m\u00e9todo es producir un sustrato s\u00f3lido a partir de un pol\u00edmero (polidimetilsiloxano) con una mezcla de part\u00edculas de poliestireno fluorescente, de 30 micr\u00f3metros de di\u00e1metro.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Los f\u00edsicos formaron un plano de luz en el sustrato a partir de un rayo l\u00e1ser, que era perpendicular a la superficie y pasaba estrictamente por el medio de las gotas que ca\u00edan sobre \u00e9l.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Al observar el resplandor de las micropart\u00edculas desde un lado con una c\u00e1mara de alta velocidad, pudieron registrar su desplazamiento a una frecuencia de 40.000 fotogramas por segundo. El desplazamiento en s\u00ed fue procesado por un algoritmo, lo que hizo posible lograr una resoluci\u00f3n espacial de 115 micr\u00f3metros.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><strong>Bolas de acero<\/strong><\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Para crear gotas, los autores prepararon una soluci\u00f3n acuosa de yoduro de sodio. El sistema de suministro de gotas se dise\u00f1\u00f3 de tal manera que su di\u00e1metro fuera de 3,49 mil\u00edmetros y la velocidad en la superficie fuera de 2,97 metros por segundo.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">A modo de comparaci\u00f3n, los f\u00edsicos arrojaron bolas de acero con un di\u00e1metro de 3,16 mil\u00edmetros y una velocidad de 0,49 metros por segundo a la muestra.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Para reducir los errores, los datos del microscopio se promediaron dos veces: primero, sobre una secuencia de cinco impactos id\u00e9nticos, y luego sobre tres de esas secuencias para diferentes puntos del sustrato.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">La comparaci\u00f3n del impacto cortante revel\u00f3 grandes diferencias en los impactos de bolas y ca\u00eddas de acero. Si en el primer caso la tensi\u00f3n permaneci\u00f3 localizada en el punto de impacto, en el segundo caso se movi\u00f3 radialmente al aplanarse la gota.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><strong>Impacto l\u00edquido<\/strong><\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Esto se debe al comportamiento del l\u00edquido al impactar. Al principio, la parte inferior de la gota forma un pedestal plano (laminilla) que crece a medida que la gota desciende.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">El punto donde el l\u00edmite de la gota pasa a la l\u00e1mina se denomina punto de inflexi\u00f3n, ya que el flujo de l\u00edquido cambia abruptamente de direcci\u00f3n, arrastrando consigo la superficie del sustrato.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Este mecanismo fue confirmado por el hecho de que la dependencia de la coordenada del pico de voltaje con el tiempo transcurrido concuerda bien con la f\u00f3rmula obtenida por los te\u00f3ricos para el punto de inflexi\u00f3n.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Tambi\u00e9n aparecieron otras diferencias al comparar el comportamiento de la tensi\u00f3n normal (compresi\u00f3n) para ca\u00eddas y balones. Como en el caso del esfuerzo cortante, los f\u00edsicos vieron un frente de propagaci\u00f3n para el impacto de las gotas, que los te\u00f3ricos tambi\u00e9n hab\u00edan predicho previamente, pero que nadie hab\u00eda observado nunca.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><strong>Misterio aclarado<\/strong><\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Sin embargo, result\u00f3 inesperado que, a partir de un momento determinado, comenzaron a aparecer regiones de presi\u00f3n negativa (estiramiento) en la superficie del sustrato, lo que indica la formaci\u00f3n de una onda ac\u00fastica superficial u onda de Rayleigh.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Dado que la velocidad de propagaci\u00f3n del sonido desde los puntos de inflexi\u00f3n depende del tiempo, en el momento inicial del proceso se encuentra en r\u00e9gimen supers\u00f3nico.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Cuando la onda de Rayleigh alcanza los puntos de inflexi\u00f3n, se produce una resonancia y un aumento explosivo de su amplitud. La onda de descompresi\u00f3n resultante debilita la uni\u00f3n dentro del material y promueve una erosi\u00f3n severa.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Dicho de otra forma, la fuerza ejercida por una gota se extiende con la gota que impacta, en lugar de concentrarse en el centro de la gota, y la velocidad a la que la gota se extiende supera la velocidad del sonido en per\u00edodos breves, lo que genera un onda ac\u00fastica a trav\u00e9s de la superficie.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Eso significa que cada gota de agua se comporta como una peque\u00f1a bomba, que libera su energ\u00eda de impacto de forma explosiva, proporcion\u00e1ndole as\u00ed la potencia necesaria para erosionar las superficies a lo largo del tiempo. Misterio aclarado.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><strong>Fuente: Tendencias21<\/strong><\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>El impacto de una gota de agua cuando choca con una roca genera una onda sonora que supera la velocidad del sonido: entonces explota y deteriora la superficie dura. Lao Tse dec\u00eda que lo que es fluido y blando vencer\u00e1 a lo que es r\u00edgido y duro. 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