Pensándolo bien...
El comportamiento caótico, caracterizado por su aparente aleatoriedad y alta sensibilidad a las condiciones iniciales, es un fenómeno bien documentado en sistemas dinámicos. En el contexto de un gas, este comportamiento se puede observar a nivel microscópico, donde las partículas individuales siguen trayectorias que, aunque determinadas por las leyes de la física, resultan impredecibles en la práctica debido a la complejidad del sistema. Una representación tridimensional de este caos no solo visualiza las trayectorias individuales de las partículas en el espacio, sino que también destaca las interacciones entre ellas, lo que puede llevar a patrones emergentes a nivel macroscópico.
Disponer de una representación tridimensional del comportamiento caótico de un gas abre nuevas vías en la investigación científica. Primero, permite una mejor comprensión de la teoría del caos aplicada a la física de gases, facilitando el estudio de fenómenos como la turbulencia, la difusión y la convección en una escala más granular. Además, este enfoque puede revelar intimidades sobre la transición de comportamientos predecibles a caóticos, un área de gran interés en la física no lineal. En el ámbito tecnológico, entender el comportamiento caótico de un gas a través de representaciones tridimensionales, tiene aplicaciones potenciales en la ingeniería de fluidos, la meteorología y la industria aeroespacial. Por ejemplo, la modelización precisa de flujos de gas caóticos que puede mejorar el diseño de sistemas de propulsión o la eficiencia energética en turbinas de gas. Asimismo, esta comprensión avanzada podría ser crucial para predecir el comportamiento del clima y mitigar desastres naturales, dada la naturaleza caótica de la atmósfera terrestre. Sin embargo, representar y analizar el caos en sistemas gaseosos tridimensionales tiene limitaciones, como el requerimiento de capacidad de cálculo de alto rendimiento, que es significativa, dado el enorme número de partículas del sistema a estudiar y la complejidad de sus interacciones. Además, la teoría del caos nos recuerda que, incluso con modelos avanzados, las limitaciones en la precisión de las condiciones iniciales pueden incidir significativamente en una predictibilidad limitada a largo plazo.
En el caso de los metales líquidos, el comportamiento caótico puede manifestarse en el flujo y la formación de patrones durante el calentamiento, el enfriamiento o la aplicación de campos magnéticos externos. Una representación tridimensional de estos procesos no solo permitiría una comprensión más profunda de la dinámica interna del fluido, sino también ayudaría a identificar y explorar fenómenos emergentes que son difíciles de predecir con modelos bidimensionales o teóricos. La capacidad de visualizar y analizar en tres dimensiones el comportamiento caótico de los metales líquidos tiene implicaciones significativas para la Física y la ingeniería de materiales. Podría proporcionar una descripción valiosa de la intimidad del sistema, visualizando la turbulencia, la convección y otros procesos dinámicos, que son esenciales para mejorar los métodos de procesamiento de metales y el desarrollo de nuevos materiales con propiedades optimizadas. Además, esta comprensión avanzada podría contribuir a la investigación en fusión nuclear, donde los metales líquidos se utilizan como refrigerantes y en la captura de neutrones. Más allá de la investigación fundamental, comprender el comportamiento caótico de los metales líquidos podría tener aplicaciones prácticas en varios campos. Por ejemplo, en electrónica, donde los metales líquidos se investigan para su uso en dispositivos flexibles y auto-reparables; en la refrigeración de componentes electrónicos, donde la dinámica de fluidos juega un papel crucial en la eficiencia del enfriamiento. La visualización tridimensional podría acelerar el desarrollo de estas tecnologías al permitir la optimización de procesos y materiales basada en una comprensión detallada de la dinámica interna.
Los experimentos con metales líquidos no sólo podrían aportar interesantes conocimientos sobre fenómenos geofísicos y astrofísicos de flujo, como las perturbaciones atmosféricas en la superficie del sol o el flujo en la parte exterior del núcleo de la Tierra, sino también fomentar aplicaciones industriales, por ejemplo, la fundición de acero líquido. Sin embargo, como los metales líquidos no son transparentes, no se dispone de técnicas de medición adecuadas para visualizar el flujo en todo el volumen.
Imagen generada con Chat GPT con DALL-E
Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha obtenido, por primera vez, una imagen tridimensional detallada de un flujo turbulento de metal líquido impulsado por la temperatura. La propuesta se concreta en que el fluido se introduce en un recipiente cuya placa base se calienta y cuya tapa se enfría al mismo tiempo. Si la diferencia de temperatura en el fluido supera un determinado límite, el transporte de calor aumenta drásticamente. La explicación consiste en que se forma el llamado flujo convectivo, que transporta eficazmente el calor. El líquido de la parte inferior se expande, se vuelve más ligero y sube hacia arriba, mientras que las capas más frías de la parte superior se hunden hacia abajo debido a su mayor densidad. La cuestión es que si bien inicialmente se forma una circulación regular, cuando se dan mayores diferencias de temperatura, el flujo se vuelve cada vez más turbulento. El reto ha sido, visualizar correctamente este proceso en tres dimensiones.
Han empleado para el estudio, la tomografía de flujo inductiva sin contacto (CIFT), que es una técnica de medición desarrollada por el propio equipo de investigación, consistente en emplear el principio de inducción del movimiento, ya que, si se aplica un campo magnético estático, se genera una corriente eléctrica en el fluido debido al movimiento del líquido. Estas corrientes parásitas provocan un cambio en el campo magnético original, que puede medirse desde fuera del recipiente. De este modo, la estructura del flujo se refleja en la distribución del campo magnético y puede extraerse de los datos de medición mediante un tratamiento matemático adecuado.
Los resultados obtenidos ponen de relieve la visualización del flujo impulsado por la temperatura de una aleación de galio, indio y estaño, que funde a unos 10 ºC. Emplean un cilindro de 64 centímetros de altura, conteniendo unos 50 litros de metal líquido, disponiendo de 68 sensores para registrar la temperatura y poder trazar la distribución y otros 42 sensores de campo magnético de alta sensibilidad. A partir de los datos magnéticos se construye el campo de velocidades, lo que requiere precisión en la medida de los campos magnéticos inducidos por el flujo, que son muy pequeños, tanto como entre dos y cinco órdenes de magnitud menores que el campo magnético aplicado, lo que conlleva una excitación magnética de 1.000 microteslas, por lo que hay que detectar en torno a 0,1 microteslas. A efectos de comparación, el campo magnético terrestre, que hay que restarlo, es de unos 50 microteslas. La precisión de las medidas es notable, como vemos, hasta el punto de realizar las mediciones por la noche para reducir al mínimo las interferencias.
La importancia de esta aportación empírica radica en que las simulaciones numéricas para el experimento incluyendo parámetros similares, no son factibles de tenerlas en un tiempo razonable, incluso apelando a superordenadores. Se han evidenciado estructuras espaciales que muestran patrones recurrentes con uno o varios vórtices giratorios superpuestos. Es decir, hay orden en el caos turbulento y se puede, razonablemente, estudiar la relación entre el flujo y el transporte de calor. Se abre una opción de estudio de los procesos de flujo en el interior de planetas y estrellas. Un gran avance, sin duda. En este caso, el experimento ha venido a soslayar la dificultad teórica inherente a la simulación, restringida por la capacidad de cálculo accesible en la actualidad. No todo está resuelto, como podemos apreciar.
Sopa de letras: CAOS TRIDIMENSIONAL
Soluciones: EL LEGADO ETERNO DE PETER HIGGS