Estudiante pone fin a un misterio de la física que no se había podido resolver en un siglo

Los investigadores no sabían por qué las burbujas de aire en un tubo de ensayo parecían «atrapadas» y no se elevaban libremente hasta la superficie como ocurre en otros recipientes más grandes, como los vasos de agua.

Un estudiante de licenciatura de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, ha resuelto un misterio que lleva décadas intrigando a los científicos.

Las burbujas de aire en un vaso de agua se elevan libremente hacia la superficie, y los mecanismos detrás de esta situación se explican fácilmente por las leyes básicas de la física.

Sin embargo, las mismas teorías científicas no podían explicar por qué esas burbujas contenidas en un tubo de unos pocos milímetros de diámetro no suben de la misma manera y parecen «atascadas», inmóviles.

Hasta que el estudiante Wassim Dhaouadi ha averiguado que, en realidad, sí que se mueven, pero lo hacen muy muy lentamente.

El misterio ha durado un siglo.

Según su investigación y sus observaciones, la explicación viene dada por la formación de una película ultradelgada de líquido alrededor de la burbuja, que evita que se eleve libremente.

Y descubrió que, de hecho, las burbujas no están paradas, simplemente que no notamos que se mueven porque lo hacen tremendamente despacio.

El logro parece simple, pero se trata de un descubrimiento de investigación fundamental que podría usarse para estudiar la mecánica de fluidos a escala nanométrica, especialmente para sistemas biológicos.

Los físicos observaron este fenómeno por primera vez hace casi un siglo, pero no pudieron encontrar una explicación: en teoría, las burbujas no deberían encontrar resistencia a menos que el fluido esté en movimiento; así, una burbuja atascada no debería encontrar impedimento para elevarse hasta la superficie, esté donde esté contenida.

En la década de 1960, Bretherton desarrolló una fórmula basada en la forma de las burbujas para explicar este fenómeno.

Desde entonces, otros investigadores han postulado que la burbuja no se eleva debido a una película delgada de líquido que se forma entre las burbujas y la pared del tubo.

Pero estas teorías no pueden explicar completamente el fenómeno.

Mientras era estudiante de licenciatura en el laboratorio de Mecánica de Ingeniería de Interfaces Suaves (EMSI) dentro de la Escuela de Ingeniería de EPFL, Wassim Dhaouadi no solo pudo ver la delgada película de líquido, sino también medirla y describir sus propiedades, algo que nunca se había hecho antes.

Y, sus hallazgos, por fin, demostraron que las burbujas no estaban atascadas, sino que en realidad se movían extremadamente lento.

La investigación de Dhaouadi, que se acaba de publicar en la revista « Physical Review Fluids», marcó la primera vez que se proporcionó evidencia experimental para probar teorías anteriores.

Dhaouadi y el jefe de laboratorio de EMSI, John Kolinski, utilizaron un método de interferencia óptica para medir la película, que encontraron que tenía solo unas pocas docenas de nanómetros (1×10^-9 metros) de espesor.

El método implicaba dirigir la luz hacia una burbuja de aire dentro de un tubo estrecho y analizar la intensidad de haz reflejado.

Utilizando la interferencia de la luz reflejada desde la pared interna del tubo y desde la superficie de la burbuja, midieron con precisión el grosor de la película.

Dhaouadi también descubrió que la película cambia de forma si se aplica calor a la burbuja y vuelve a su forma original una vez que se elimina el calor.

«Este descubrimiento refuta las teorías más recientes de que la película se drenaría a espesor cero», explica John Kolinski.

Estas mediciones también muestran que las burbujas se están moviendo, aunque demasiado lentamente para ser vistas por el ojo humano.

«Debido a que la película entre la burbuja y el tubo es tan delgada, crea una fuerte resistencia al flujo, reduciendo drásticamente el aumento de las burbujas», afirma Kolinski.

Dhaouadi se unió al laboratorio como asistente de investigación de verano durante su licenciatura.

Hizo un rápido progreso y continuó el trabajo por su propia voluntad.

«Básicamente participó por su interés en la investigación, y terminó publicando un artículo de su trabajo que resuelve un rompecabezas centenario», dice Kolinski.

«Estaba contento de llevar a cabo un proyecto de investigación al principio de mi plan de estudios.

Es una nueva forma de pensar y aprender, y era bastante diferente de un conjunto de tareas donde sabes que hay una solución, aunque puede ser difícil de encontrar.

Al principio, no sabíamos si habría una solución para este problema», afirma Dhaouadi, quien ahora está completando un máster en ETH Zurich.

Kolinski agrega: «Wassim hizo un descubrimiento excepcional en nuestro laboratorio. Nos alegramos de que trabajara con nosotros».

Fuente: ABC