La física de la crema batida

Un experimento salvado fortuitamente tras el accidente del transbordador Columbia permite hoy a los científicos entender una propiedad fundamental, aunque poco conocida, de los fluidos.

Hagamos un pequeño experimento científico. Si tiene una lata de crema batida (n.del t.: en España se la conoce como "nata montada") en el refrigerador, vaya y sáquela. Vierta una porción generosa de la crema en una cuchara y obsérvela cuidadosamente.

¿Nota algo interesante? La crema batida acaba de hacer algo francamente desconcertante. Primero fluyó suavemente de la boquilla del envase como si fuese un líquido y, luego, un instante después, se tornó rígida sobre la cuchara, como si fuese un sólido. ¿Qué la hizo cambiar?

(Mientras usted reflexiona sobre la pregunta, inserte la cuchara en su boca, en nombre de la ciencia.)

La crema batida cambia rápidamente debido a un fenómeno llamado "adelgazamiento por corte" (shear thinning, en idioma inglés). Cuando parte de la espuma es forzada a resbalar o a "cortar" a través del resto de la espuma, la espuma se "adelgaza" (se hace menos viscosa). Se parece menos a la miel y más al agua, permitiéndose fluir más fácilmente, hasta que el adelgazamiento se detiene.

El adelgazamiento por corte ocurre en muchas sustancias; por ej. la salsa de tomate (ketchup), la sangre, el aceite para motores, las pinturas, los polímeros líquidos (como el plástico derretido) y, con frecuencia, es crucial saber cómo se usa una sustancia. Por ejemplo, el excesivo adelgazamiento por corte en el aceite de un motor es poco deseable porque reduce la capacidad del aceite de proteger a la máquina del desgaste. En cambio, el adelgazamiento por corte en la pintura permite que fluya suavemente de la brocha pero que a la vez se quede pegada a la pared. También este efecto es el que permite que la salsa ketchup fluya de la botella pero que no gotee o se resbale de las patatas fritas.

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Sin embargo, durante años, los científicos se han hecho la misma pregunta que usted acaba de hacerse. ¿Qué es lo que hace que cambie? Hasta ahora, poco se sabe sobre la manera en que funciona el fenómeno del adelgazamiento por corte.

"Los detalles dependen de las interacciones en el fluido en el nivel molecular y esas interacciones pueden ser absolutamente complicadas", dice el físico de fluidos Robert Berg, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology, en idioma inglés). "Las teorías fundamentales no han sido verificadas directamente ni siquiera para los fluidos más simples".

Hasta ahora. Se ha logrado obtener la primera confirmación genuina de una teoría sobre cómo funciona el fenómeno del adelgazamiento por corte en un fluido simple a través de un experimento llevado a cabo a bordo del vuelo final del Transbordador Espacial Columbia.

"Demostramos que una de las teorías más importantes es básicamente correcta", dice Greg Zimmerli, científico del proyecto del experimento en el Centro de Investigaciones Glenn, de la NASA. "Este es un paso importante", añade Berg, quien es el investigador principal del experimento.

La mayoría de los datos obtenidos del experimento, llamado Viscosidad Crítica del Xenón-2 (Critical Viscosity of Xenon-2 o CVX-2, en idioma inglés), fueron enviados a los científicos en la Tierra antes de la destrucción del transbordador durante su reentrada a la atmósfera. Extraordinariamente, el disco duro del experimento sobrevivió al desastre y fue encontrado entre lo que quedó de la nave, de modo que los técnicos pudieron recuperar el resto de los datos.

EL pedacito de "malla para ventanas", del tamaño de un dedo pulgar, suspendido entre los electrodos es la paleta con la que se removió la muestra de xenón del experimento CVX-2.

El experimento CVX-2 fue diseñado para estudiar el adelgazamiento por corte en el xenón, una sustancia que se utiliza en lámparas y en turbinas iónicas para cohetes. El xenón es químicamente inerte, de modo que sus moléculas están compuestas por un solo átomo (esto es lo más cercano al modelo de las bolas de billar flotantes de un gas o líquido idealizado). A diferencia de la crema batida, que está compuesta por largas y complejas moléculas orgánicas, el xenón sería relativamente más fácil de entender.

"Para los teóricos, es un fluido más simple de entender", dice Zimmerli.

Normalmente, algunos líquidos simples como el xenón no experimentan adelgazamiento por corte. Son espesos o finos y permanecen en ese estado. Pero esto cambia si se los acerca a su "punto crítico": una combinación especial de temperatura y presión donde los fluidos pueden existir simultáneamente en estado líquido y gaseoso. En su punto crítico, los fluidos simples pueden "adelgazar al ser cortados", exactamente como lo hace la crema batida.

El diagrama de fases para el xenón ilustra el concepto de punto crítico: la temperatura y presión más altas a las cuales el xenón puede existir como líquido y gas al mismo tiempo.

El xenón en su punto crítico se parece a una vaga niebla, una mezcla de regiones microscópicas con densidades levemente más altas o más bajas. Estas minúsculas regiones de densidad variable aparecen y desaparecen constantemente en una agitada espuma, otorgando al xenón algunas de las complejidades estructurales de mezclas como la sangre.

El experimento CVX-2 debía hacerse en el espacio: los fluidos en punto crítico se comprimen fácilmente. En la Tierra colapsan bajo su propio peso y se vuelven más densos en los fondos de los recipientes. En cambio, en caída libre orbital, esas diferencias desaparecen, lo cual es un requisito clave para realizar un buen experimento.

Para probar el adelgazamiento por corte, durante el experimento CVX-2 se ajustaron la temperatura y la presión en un pequeño cilindro hasta llevar al xenón a su punto crítico y, entonces, se removió cuidadosamente el fluido con una paleta de malla de níquel. Al medir la resistencia del fluido al movimiento de la paleta, el experimento pudo determinar la viscosidad del xenón. Luego, se buscaron cambios de viscosidad conforme se cambiaba lentamente la velocidad de la paleta y la temperatura del fluido.

Los resultados concordaron exactamente con las predicciones de la teoría del acoplamiento dinámico de modos. "Este entendimiento fundamental puede ayudarnos a elaborar mejores teorías sobre el adelgazamiento por corte en fluidos más complejos que el xenón", dice Zimmerli.

Estas serían muy buenas noticias para, por ejemplo, los ingenieros que desean crear aceites de alto rendimiento para automóviles o para los fabricantes que buscan producir plásticos líquidos con las propiedades adecuadas de adelgazamiento por corte para un determinado molde. El límite es la imaginación.

Aunque saber si sería posible mejorar la crema batida es, sin embargo, un tema absolutamente controvertido.

Fuente: Ciencia@NASA
Traductor al español: : Carlos Román