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  • Investigación y Ciencia
  • Mayo 2018Nº 500
Panorama

Física

El turbulento viaje de la energía

Un trabajo demuestra una hipótesis centenaria sobre la transferencia de energía en un flujo turbulento. El resultado augura mejoras sustanciales en los modelos empleados para describir la dinámica de los fluidos.

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El estudio de la turbulencia ha sido considerado históricamente uno de los problemas más difíciles de la física. Este fenómeno se desencadena cuando un fluido, como el aire o el agua, comienza a comportarse de manera caótica, lo que da lugar a la formación de torbellinos y otras estructuras irregulares que evolucionan de manera errática. Podemos observarlo con facilidad en el ascenso de una columna de humo o en el curso de un río agitado, y afecta de manera persistente a aviones, automóviles, barcos y otros vehículos. No obstante, el análisis teórico de la turbulencia se ve impedido por la extraordinaria complejidad matemática que entrañan las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los fluidos, conocidas como ecuaciones de Navier-Stokes.

Los flujos turbulentos se caracterizan por la aparición de remolinos de tamaño muy distinto que interactúan entre sí. Esta disparidad de tamaños, o escalas, dificulta enormemente su modelización. Para intentar simplificarla, hace casi cien años se postuló un modelo conocido como «de cascada»; según este, los remolinos grandes transmiten su energía a otros de tamaño parecido pero algo más pequeños, en un proceso que se repite hasta alcanzar unas dimensiones lo suficientemente reducidas para que la viscosidad, el «rozamiento interno» del fluido, los disipe.

Este viaje de la energía hacia su disipación reviste gran importancia tanto teórica como práctica: se estima que cerca de un 5 por ciento del gasto energético de la humanidad va a parar a la disipación de flujos turbulentos. Sin embargo, aunque la hipótesis de la cascada se ha usado en numerosos modelos cuyas predicciones se ajustan relativamente bien a los resultados experimentales, también ha convivido con teorías que postulan que la energía se transfiere directamente entre remolinos de escalas muy distintas.

La resolución de esta controversia, al menos en términos estadísticos, no ha sido posible hasta hace poco. En un trabajo publicado en Science, los autores de este artículo referimos la primera observación directa del fenómeno de cascada. Nuestra aportación no solo confirma la transferencia de energía entre remolinos de tamaños similares, sino que cuantifica lo que debe entenderse por semejanza o disparidad de escalas, lo que permitirá refinar los modelos usados actualmente para tratar la turbulencia.

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