{"id":7708,"date":"2017-11-15T09:41:12","date_gmt":"2017-11-15T15:41:12","guid":{"rendered":"http:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/?p=7708"},"modified":"2017-11-15T09:41:12","modified_gmt":"2017-11-15T15:41:12","slug":"estudio-explica-como-las-gotas-pueden-levitar-en-superficies-liquidas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/ciencia\/estudio-explica-como-las-gotas-pueden-levitar-en-superficies-liquidas\/","title":{"rendered":"Estudio explica c\u00f3mo las gotas pueden &#8220;levitar&#8221; en superficies l\u00edquidas."},"content":{"rendered":"<p style=\"text-align: justify;\">Visualizaci\u00f3n de v\u00f3rtices en una gota de aceite de silicona sentado en un ba\u00f1o caliente.\u00a0La diferencia de temperatura genera un flujo de recirculaci\u00f3n que se visualiza al iluminar con una luz l\u00e1ser verde las part\u00edculas fluorescentes que se agregan como trazadores pasivos dentro de la gota.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><!--more--><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Una o dos gotas de crema fr\u00eda en caf\u00e9 caliente pueden ayudar mucho a mejorar la ma\u00f1ana.\u00a0Pero, \u00bfy si los dos l\u00edquidos no se mezclan?<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Los cient\u00edficos del MIT ahora han explicado por qu\u00e9 bajo ciertas condiciones una gota de l\u00edquido no deber\u00eda fusionarse con la superficie l\u00edquida a continuaci\u00f3n.\u00a0Si la gota es muy fr\u00eda y el ba\u00f1o suficientemente caliente, entonces la gota debe &#8220;levitar&#8221; en la superficie del ba\u00f1o, como resultado de los flujos inducidos por la diferencia de temperatura.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Los resultados del equipo, publicados en\u00a0<em>Journal of Fluid Mechanics<\/em>\u00a0, ofrecen una comprensi\u00f3n matem\u00e1tica detallada de la coalescencia gota, que se puede observar en los fen\u00f3menos cotidianos, desde la leche vertida en caf\u00e9 hasta las gotas de lluvia que se deslizan por los charcos y los aerosoles creados en las zonas de surf.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">\n<iframe loading=\"lazy\" src=\"https:\/\/www.youtube.com\/embed\/nXivZw-c7Vk\" width=\"400\" height=\"421\" frameborder=\"0\" allowfullscreen=\"allowfullscreen\"><\/iframe><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Los resultados pueden ayudar a los investigadores a comprender c\u00f3mo las sustancias biol\u00f3gicas o qu\u00edmicas se propagan por la lluvia u otros aerosoles en la naturaleza.\u00a0Tambi\u00e9n podr\u00edan servir como gu\u00eda para dise\u00f1os basados \u200b\u200ben gotitas, como en chips de microfluidos, en los que las gotitas que llevan varios reactivos pueden dise\u00f1arse para mezclarse solo en ciertas ubicaciones en un chip, a ciertas temperaturas.\u00a0Con esta nueva comprensi\u00f3n, los investigadores tambi\u00e9n podr\u00edan dise\u00f1ar gotas para actuar como rodamientos de bolas mec\u00e1nicos en entornos de gravedad cero.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Con base en nuestra nueva teor\u00eda, los ingenieros pueden determinar cu\u00e1l es la diferencia de temperatura cr\u00edtica inicial que necesitan para mantener dos gotas por separado, y cu\u00e1l es el peso m\u00e1ximo que un rodamiento construido a partir de estas gotas levitantes podr\u00eda sostener&#8221;, dice Michela Geri, un estudiante graduado en el Departamento de Ingenier\u00eda Mec\u00e1nica del MIT y el autor principal del estudio.\u00a0&#8220;Si tienes una comprensi\u00f3n fundamental, puedes comenzar a dise\u00f1ar las cosas de la manera que quieres que funcionen&#8221;.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Los coautores de Geri son Bavand Keshavarz, profesor de ingenier\u00eda mec\u00e1nica, John Bush, profesor de matem\u00e1ticas aplicadas en el Departamento de Matem\u00e1ticas del MIT, y Gareth McKinley, profesor de innovaci\u00f3n docente de la Escuela de Ingenier\u00eda.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>Un experimento estimulante<\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Los resultados del equipo surgieron de una pregunta que plante\u00f3 Bush en su curso de postgrado 18.357 (Fen\u00f3menos interfaciales): \u00bfpor qu\u00e9 deber\u00eda influir la temperatura en la coalescencia de una gota o en la mezcla?<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Geri, que estaba tomando el curso en ese momento, asumi\u00f3 el desaf\u00edo, primero al llevar a cabo una serie de experimentos en el laboratorio de McKinley.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Ella construy\u00f3 una peque\u00f1a caja, del tama\u00f1o de una taza de caf\u00e9 expreso, con paredes de acr\u00edlico y un piso de metal, que coloc\u00f3 en un plato fr\u00edo \/ caliente.\u00a0Llen\u00f3 el cubo con un ba\u00f1o de aceite de silicona y, justo por encima de la superficie de la ba\u00f1era, coloc\u00f3 una jeringa a trav\u00e9s de la cual bombe\u00f3 gotitas de aceite de silicona de la misma viscosidad.\u00a0En cada serie de experimentos, estableci\u00f3 la temperatura de la placa caliente \/ fr\u00eda y midi\u00f3 la temperatura del aceite bombeado a trav\u00e9s de la jeringa y en la superficie del ba\u00f1o.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Geri us\u00f3 una c\u00e1mara de alta velocidad para registrar cada gota, a 2.000 fotogramas por segundo, desde el momento en que sali\u00f3 de la jeringa hasta el momento en que se mezcl\u00f3 completamente con la ba\u00f1era.\u00a0Ella realiz\u00f3 este experimento utilizando aceites de silicona con un rango de viscosidades, desde agua hasta 500 veces m\u00e1s gruesa.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter\" src=\"http:\/\/news.mit.edu\/sites\/mit.edu.newsoffice\/files\/Mixing-Droplets-02.gif\" alt=\"\" \/><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><em>Coalescencia de una gota de crema en un ba\u00f1o de caf\u00e9 caliente.\u00a0(Cortes\u00eda de los investigadores)<\/em><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Ella descubri\u00f3 que las gotas parec\u00edan levitar en la superficie de un ba\u00f1o a medida que aumentaba el gradiente de temperatura entre los dos fluidos.\u00a0Ella fue capaz de levitar una gota, retrasando su coalescencia, hasta 10 segundos, manteniendo una diferencia de temperatura de hasta 30 grados Celsius o 86 grados Fahrenheit, comparable a la diferencia entre una gota de leche fr\u00eda en un ba\u00f1o de Caf\u00e9 negro caliente<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Geri traz\u00f3 los datos y observ\u00f3 que el tiempo de residencia de la gota en la superficie del ba\u00f1o parec\u00eda depender de la diferencia de temperatura inicial entre los dos fluidos, elevada a la potencia de dos tercios.\u00a0Tambi\u00e9n not\u00f3 que existe una diferencia de temperatura cr\u00edtica a la cual una gota de una viscosidad dada no se mezclar\u00e1, sino que levitar\u00e1 sobre la superficie de un l\u00edquido.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Vimos esta relaci\u00f3n claramente en el laboratorio y luego intentamos desarrollar una teor\u00eda con la esperanza de racionalizar esa dependencia&#8221;, dice Geri.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter\" src=\"http:\/\/news.mit.edu\/sites\/mit.edu.newsoffice\/files\/Mixing-Droplets-01.gif\" alt=\"\" \/><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><em>Visualizaci\u00f3n de v\u00f3rtices de recirculaci\u00f3n en la pendiente pendiente que est\u00e1 sentado en un ba\u00f1o caliente.\u00a0La diferencia de temperatura genera un flujo de recirculaci\u00f3n que se visualiza al iluminar con una luz l\u00e1ser verde las part\u00edculas fluorescentes que se agregan como trazadores pasivos en aras de la visualizaci\u00f3n del flujo.\u00a0<\/em><em>(Cortes\u00eda de los investigadores)<\/em><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>El car\u00e1cter de un coj\u00edn<\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">El equipo primero busc\u00f3 caracterizar la capa de aire que separa la gota del ba\u00f1o.\u00a0Los investigadores plantearon la hip\u00f3tesis de que una diferencia de temperatura entre los dos fluidos puede influir en este colch\u00f3n de aire, que a su vez puede actuar para mantener una gota a flote.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Para investigar esta idea matem\u00e1ticamente, los investigadores realizaron un c\u00e1lculo, referido en la mec\u00e1nica de fluidos como un an\u00e1lisis de lubricaci\u00f3n, en el que simplificaron adecuadamente las ecuaciones complejas que describen el movimiento del fluido, para describir el flujo de aire entre la gota y el ba\u00f1o.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">A trav\u00e9s de estas ecuaciones, descubrieron que las diferencias de temperatura entre la gota de fluido y el ba\u00f1o de fluido crean convecci\u00f3n o corrientes circulantes en la capa de aire intermedia.\u00a0Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, m\u00e1s fuertes son las corrientes de aire y mayor es la presi\u00f3n que empuja contra el peso de la gota, evitando que se hunda y haga contacto con el ba\u00f1o.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Encontramos que la fuerza proviene del peso de la gota y la fuerza proveniente de la recirculaci\u00f3n de la capa de aire se equilibrar\u00e1 en un punto, y para obtener ese equilibrio, necesita una diferencia de temperatura m\u00ednima o cr\u00edtica, para que la gota levite. &#8220;, Dice Geri.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>Dentro de una sola gota<\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Luego, el equipo busc\u00f3 una explicaci\u00f3n matem\u00e1tica de por qu\u00e9 observaron la relaci\u00f3n 2: 3 entre la cantidad de tiempo que una gota levita en una superficie l\u00edquida y la diferencia de temperatura inicial entre los dos fluidos.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Para eso, tuvimos que pensar en c\u00f3mo la temperatura de la gota cambia con el tiempo y se acerca a la temperatura del ba\u00f1o&#8221;, dice Geri.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Con una diferencia de temperatura, generas un flujo dentro de la gota, extrayendo calor del ba\u00f1o, que circula hasta que la temperatura de la gota es la misma que la del ba\u00f1o y ya no levitas&#8221;, agrega Bush.\u00a0&#8220;Pudimos describir ese proceso matem\u00e1ticamente&#8221;.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Para hacerlo, los investigadores adaptaron otro conjunto de ecuaciones, que describen la mezcla de dos fluidos.\u00a0Usaron las ecuaciones para modelar un paquete caliente de l\u00edquido dentro de la gota que ha sido calentada por el ba\u00f1o de abajo.\u00a0Fueron capaces de caracterizar c\u00f3mo esa porci\u00f3n de l\u00edquido se mezcl\u00f3 con las porciones m\u00e1s fr\u00edas de la gota, calentando toda la gota con el tiempo.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">A trav\u00e9s de este modelo, pudieron observar c\u00f3mo la diferencia de temperatura entre los fluidos disminu\u00eda con el tiempo, hasta el punto en que una gota dejaba de levitar y finalmente se mezclaba con el resto del ba\u00f1o.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Si estudias ese proceso matem\u00e1ticamente, puedes mostrar la forma en que la temperatura cambia en la gota con el tiempo es exactamente con esta ley de potencia de 2\/3 que observamos en nuestros experimentos&#8221;, dice Geri.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Bush dice que sus resultados se pueden utilizar para caracterizar la propagaci\u00f3n de ciertos agentes qu\u00edmicos y biol\u00f3gicos que se transfieren a trav\u00e9s de gotas de lluvia y aerosoles.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">&#8220;Hay muchos eventos de mezcla biol\u00f3gica y qu\u00edmica que involucran interacciones de gotitas, incluso en la zona de oleaje, con olas rompiendo y peque\u00f1as gotas volando por todas partes, y en jacuzzis, con burbujas estallando y liberando gotitas que se deslizan por la superficie&#8221;, dijo Bush. dice.\u00a0&#8220;La velocidad a la que se mezclan estos agentes depender\u00e1 de cu\u00e1nto tiempo las gotas permanecen a flote antes de fusionarse.\u00a0Ahora sabemos que eso depende de la temperatura, y podemos decir exactamente c\u00f3mo &#8220;.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Esta investigaci\u00f3n fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation y MIT Energy Initiative a trav\u00e9s del Energy Fellowship Program.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>Fuente:<\/strong> MIT<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Visualizaci\u00f3n de v\u00f3rtices en una gota de aceite de silicona sentado en un ba\u00f1o caliente.\u00a0La diferencia de temperatura genera un flujo de recirculaci\u00f3n que se visualiza al iluminar con una luz l\u00e1ser verde las part\u00edculas fluorescentes que se agregan como trazadores pasivos dentro de la 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