Una ‘paradoja’ de 500 años de antigüedad de Leonardo da Vinci finalmente ha sido resuelta, dice un estudio

Hace más de 500 años, Leonardo da Vinci estaba observando las burbujas de aire flotando en el agua, como haces cuando eres un erudito de la era del Renacimiento, cuando notó que algunas burbujas, inexplicablemente, comenzaban a girar en espiral o en zigzag en lugar de hacer un ascenso directo a la superficie del agua.

Durante siglos, nadie ha ofrecido una explicación satisfactoria para esta extraña desviación periódica en el movimiento de algunas burbujas a través del agua, que se ha llamado “la paradoja de Leonardo”. 

Ahora, un par de científicos creen que finalmente pueden haber resuelto el enigma de larga data mediante el desarrollo de nuevas simulaciones que coinciden con las mediciones de alta precisión del efecto, según un estudio publicado.

Los resultados sugieren que las burbujas pueden alcanzar un radio crítico que las empuja hacia caminos nuevos e inestables debido a las interacciones entre el flujo de agua a su alrededor y las sutiles deformaciones de sus formas.

Los autores Miguel Herrada y Jens Eggers, investigadores de física de fluidos en la Universidad de Sevilla y la Universidad de Bristol respectivamente, dijeron en el estudio:

“El movimiento de las burbujas en el agua juega un papel central en una amplia gama de fenómenos naturales, desde la industria química hasta el medio ambiente”.

 “El ascenso boyante de una sola burbuja sirve como un paradigma muy estudiado, tanto experimental como teóricamente”.

“Sin embargo, a pesar de estos esfuerzos, y a pesar de la disponibilidad inmediata de una enorme potencia informática, no ha sido posible reconciliar los experimentos con simulaciones numéricas de las ecuaciones hidrodinámicas completas para una burbuja de aire deformable en el agua”.

 “Esto es cierto en particular para la intrigante observación, realizada ya por Leonardo da Vinci, de que las burbujas de aire suficientemente grandes realizan un movimiento periódico, en lugar de ascender a lo largo de una línea recta”.

De hecho, las burbujas son tan omnipresentes en nuestra vida diaria que puede ser fácil olvidar que son dinámicamente complicadas y, a menudo, difíciles de estudiar experimentalmente. Las burbujas de aire ascendentes en el agua están influenciadas por una serie de fuerzas de intersección, como la viscosidad del fluido, la fricción de la superficie y cualquier contaminante circundante, que distorsionan las formas de las burbujas y cambian la dinámica del agua que fluye a su alrededor.

Lo que da Vinci notó, y otros científicos han confirmado desde entonces, es que las burbujas de aire con un radio esférico que es mucho más pequeño que un milímetro tienden a seguir un camino directo hacia arriba a través del agua, mientras que las burbujas más grandes desarrollan un bamboleo que da como resultado espirales periódicas o zigzag. trayectorias. 

Herrada y Eggers utilizaron las ecuaciones de Navier-Stokes, que son un marco matemático para describir el movimiento de fluidos viscosos, para simular la compleja interacción entre las burbujas de aire y su medio acuoso. El equipo pudo identificar el radio esférico que desencadena esta inclinación (0,926 milímetros, que es aproximadamente del tamaño de la punta de un lápiz) y describir el posible mecanismo detrás del movimiento ondulado.

Una burbuja que ha excedido el radio crítico se vuelve más inestable, produciendo una inclinación que cambia la curvatura de la burbuja. El cambio en la curvatura aumenta la velocidad del agua alrededor de la superficie de la burbuja, lo que inicia el movimiento de oscilación. La burbuja luego regresa a su posición original debido al desequilibrio de presión creado por las deformaciones en su forma curva y repite el proceso en un ciclo periódico.

Además de resolver una paradoja de 500 años de antigüedad, el nuevo estudio podría arrojar luz sobre una serie de otras preguntas sobre el comportamiento mercurial de las burbujas y otros objetos que desafían una categorización fácil.

Concluyeron Herrada y Eggers en el estudio:

“Aunque anteriormente se creía que la estela de la burbuja se vuelve inestable, ahora demostramos un nuevo mecanismo, basado en la interacción entre el flujo y la deformación de la burbuja”.

 “Esto abre la puerta al estudio de pequeñas contaminaciones, presentes en la mayoría de los entornos prácticos, que emulan una partícula en algún lugar entre un sólido y un gas”.

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