Monos marinos y la dinámica de la turbulencia en la física

Transcript

Los monos marinos reescriben las reglas de la turbulencia Bienvenidos a Quanta Pod. Hoy, 2 de octubre de 2026, exploramos una fascinante revelación en el campo de la física publicada por Quanta Magazine. Analizaremos cómo diminutos organismos acuáticos conocidos como monos marinos, o artemias, han ayudado a los científicos a comprender y alterar las reglas clásicas de la turbulencia y la dinámica de fluidos, demostrando que la geometría y los pequeños obstáculos pueden revertir el flujo de energía en sistemas complejos con posibles aplicaciones en el control de la contaminación. Los crustáceos que desafían las leyes de la turbulencia En las décadas de 1960 y 1970, unos coloridos anuncios en revistas cómicas de Nueva York prometían enviar por correo una «caja llena de felicidad». A cambio de un pequeño pago, los compradores recibían un sobre de papel con huevos liofilizados que, al sumergirse en agua salada, cobraban vida transformándose en pequeños crustáceos conocidos como artemias o monos de mar. Estos diminutos animales, de apenas un centímetro de longitud, nadan boca abajo agitando frenéticamente sus extremidades y arrastrando sus alargados abdómenes como si fueran colas. Durante mucho tiempo, nadie imaginó que estos modestos organismos tendrían un papel crucial en la física moderna. Recientemente, científicos de la Universidad de Pittsburgh descubrieron que los monos de mar y otros organismos similares pueden hacer mucho más que desplazarse por el agua: pueden alterar la dirección fundamental en la que se propaga la energía dentro de un sistema turbulento. Para comprender la magnitud de este hallazgo en el terreno de la física de fluidos, es necesario recordar cómo se comportan los sistemas turbulentos. La turbulencia es omnipresente en nuestra vida cotidiana. Se manifiesta en la espuma espumosa que se forma al pie de una cascada, en el perfil de una ola que rompe en la costa, en las turbulencias que sacuden un avión en pleno vuelo, en los remolinos que dibuja la leche al verterla en una taza de café, o en el violento hervor del plasma sobre la superficie solar. Tal como señala Francesca De Serio, ingeniera civil y experta en hidrodinámica de la Politécnica de Bari en Italia, observamos turbulencias constantemente al ir a la playa o simplemente al lavarnos las manos. Aunque un sistema turbulento parece caótico y complejo, regido por fuerzas intrincadas, sus orígenes suelen ser sencillos. La turbulencia surge, por ejemplo, cuando un fluido en movimiento choca con un obstáculo que altera su velocidad. En un río, el agua se desacelera cerca de las orillas debido a la fricción, y esas diferencias de velocidad generan vórtices y remolinos. Cuando el cauce se divide para sortear una roca, las velocidades cambian y se forman cavidades donde el agua rota sobre sí misma. El aire, que también es un fluido, experimenta turbulencias provocadas por corrientes opuestas y variaciones térmicas. En estos escenarios dinámicos, la energía se desplaza entre diferentes escalas de tamaño. El matemático y físico británico Lewis Fry Richardson, pionero de la predicción meteorológica moderna, fue el primero en estudiar este fenómeno al analizar los gases de la atmósfera. Descubrió que la energía cinética de un gran remolino se transfiere a remolinos cada vez más pequeños, hasta alcanzar una escala tan reducida que la viscosidad del fluido frena el movimiento y disipa la energía en forma de calor. En 1922, Richardson resumió este concepto en un famoso verso que traducido dice: los grandes remolinos tienen remolinos pequeños que se alimentan de su velocidad, y los remolinos pequeños tienen remolinos aún menores, y así sucesivamente hasta llegar a la viscosidad. A comienzos de la década de 1940, el matemático soviético Andrey Kolmogorov dotó al estudio de la turbulencia de una base matemática rigurosa. Sin embargo, tanto el trabajo de Richardson como el de Kolmogorov se centraron principalmente en sistemas tridimensionales, donde la energía fluye inexorablemente desde las estructuras grandes hacia las pequeñas. La perspectiva cambió a finales de los años sesenta, cuando los físicos Robert Kraichnan y George Batchelor ampliaron la investigación hacia los sistemas bidimensionales. Ejemplos de turbulencia bidimensional incluyen fenómenos colosales como la Gran Mancha Roja de Júpiter, un remolino tan violento que eclipsa cualquier movimiento atmosférico circundante. Este tipo de sistema bidimensional también transfiere energía de una escala a otra, pero con una peculiaridad sorprendente: el flujo de energía se invierte. En lugar de ir de grande a pequeño, la energía en la turbulencia bidimensional viaja desde los pequeños remolinos hacia los más grandes. En la Gran Mancha Roja joviana, los vórtices pequeños situados en el perímetro alimentan el gigantesco vórtice central. Durante décadas tras estas observaciones pioneras, los físicos dieron por sentado que estos flujos inversos eran fijos y obedecían a reglas estrictas. Sin embargo, la física de estos procesos no estaba en la mente de Xinyu Si cuando, alrededor de 2021, comenzó a estudiar a las artemias como estudiante en el laboratorio de Lei Fang en la Universidad de Pittsburgh. El equipo de Fang se especializa en la llamada materia activa, un concepto de la física que describe a entidades capaces de moverse por sí mismas e inyectar energía en su entorno. Esta categoría abarca tanto a redes de seres vivos, como las bacterias, hasta sistemas inanimados como diminutos robots. El objetivo inicial de Si y Fang era investigar el papel que desempeñan los organismos nadadores en la mezcla de materiales dentro de fluidos turbulentos. Partían de la hipótesis de que miles de millones de criaturas diminutas agitando los cuerpos de agua del mundo generaban un nivel de mezcla subestimado por los modelos tradicionales. Al observar de cerca a los monos de mar, los investigadores descubrieron un fenómeno inesperado. Tradicionalmente se creía que, en un sistema turbulento, la energía fluye en una sola dirección según las dimensiones del sistema. No obstante, al introducir pequeños obstáculos angulados en el flujo, los científicos comprobaron que es posible redirigir la cascada de energía en un sistema bidimensional. Modificando ligeramente la geometría con un pequeño obstáculo orientado en la dirección precisa, el flujo energético se invierte. Lei Fang, ingeniero líder del estudio, resume este principio afirmando que la geometría importa. Este descubrimiento se apoya en una descripción matemática fundamental sobre cómo interactúan las fuerzas para impulsar la energía a través de un sistema, un logro alabado por Gregory Falkovich, físico del Instituto Weizmann de Ciencias y pionero en la turbulencia bidimensional, quien calificó el trabajo como una obra experimental hermosa y magistral. Las implicaciones de este descubrimiento trascienden el comportamiento de los crustáceos en un recipiente de laboratorio. Los investigadores señalan que estos hallazgos pueden extenderse a sistemas caóticos de mayor envergadura, incluidos aquellos que operan en tres dimensiones. Comprender cómo la geometría y los pequeños obstáculos alteran los flujos turbulentos abre nuevas vías para entender la dinámica de fluidos en general. Sus aplicaciones potenciales abarcan desde el control de la contaminación ambiental hasta el diseño de fármacos y la ingeniería de procesos químicos complejos, demostrando una vez más cómo la observación detallada de la naturaleza revela leyes físicas profundas e inesperadas. Cierre Hemos explorado cómo la observación de pequeños crustáceos y los nuevos modelos geométricos desafían las reglas tradicionales de la física de fluidos, ofreciendo implicaciones profundas para el control de la contaminación y el diseño de fármacos. Puedes consultar los enlaces a las fuentes originales en las notas de este episodio. Gracias por acompañarnos en este recorrido científico. Hasta la próxima edición en Quanta Pod.