Por qué salpican las gotas de agua: un misterio no trivial explicado

Crédito: Pixabay

Desde las gotas de lluvia que te mojan camino al trabajo hasta las gotas de café que inevitablemente terminan en tu camisa blanca cuando llegas, se te perdonará que pienses en las gotas como una mera molestia.

Pero debajo de una fachada mundana, las gotas exhiben una belleza natural y ocultan una física compleja que los científicos han estado tratando de descifrar durante décadas. Recientemente, he contribuido a este campo trabajando en una nueva teoría que explica lo que le sucede a la crítica capa delgada de aire entre una gota de agua y una superficie para causar una salpicadura.

Con solo unas pocas milésimas de segundo, la vida útil de una gota que salpica es demasiado rápida para que la veamos. Se necesitaron avances pioneros en imágenes de alta velocidad para capturar estos eventos, siendo el más icónico la corona de gotas de leche de Edgerton en 1957. Estas imágenes capturaron simultáneamente la imaginación del público con su naturaleza estética e intrigaron a los físicos con su sorprendente complejidad. La pregunta más obvia es ¿por qué y cuándo salpican las gotas?

Hoy en día, las cámaras pueden tomar más de un millón de fotogramas por segundo y resolver los pequeños detalles de una salpicadura. Sin embargo, estos avances han planteado tantas preguntas como respuestas. Lo que es más importante, las observaciones notables, provenientes del NagelLab en 2005, mostraron que el aire que rodea la gota juega un papel fundamental. Al reducir la presión del aire, se puede evitar una salpicadura (ver segundo video). De hecho, las gotas que salpican en la parte inferior del monte Everest pueden no hacerlo en la cima, donde la presión del aire es menor.

Caída de etanol a presión normal salpica. La gota de etanol a baja presión no salpica.

Los descubrimientos crearon una explosión de trabajo experimental destinado a descubrir los detalles curiosos del papel del aire. Los nuevos métodos experimentales revelaron una dinámica increíble: las gotas de líquido de tamaño milimétrico están controladas por el comportamiento de películas de aire microscópicas que son 1000 veces más pequeñas.

Patrón de salpicadura de café a la derecha junto al anillo de la taza.
Roger Karlsson/Flickr, CC BY-SA

En particular, después de que una gota de líquido entra en contacto con un sólido, se puede evitar que se extienda a través de él mediante una capa de aire microscópicamente delgada que no puede empujar hacia un lado. Los tamaños involucrados son equivalentes a una capa de aire de un centímetro que detiene la ola de un tsunami que se extiende por una playa. Cuando esto ocurre, una hoja de líquido puede salir volando de la gota principal y romperse en gotitas más pequeñas para generar una salpicadura.
De una mancha de café, todo lo que podemos ver es el resultado de este evento: un charco de líquido (la gota) rodeado por un anillo de gotas más pequeñas (la salpicadura).

Avance importante

Los análisis experimentales han producido observaciones increíblemente detalladas de salpicaduras de gotas. Pero no establecen por qué salpican las gotas, lo que significa que no entendemos la física subyacente. Sorprendentemente, para un problema tan aparentemente inocuo, la teoría clásica de los fluidos utilizada para pronosticar el clima, diseñar barcos y predecir el flujo sanguíneo es inadecuada. Esto se debe a que la altura de las capas de aire se vuelve comparable a la distancia que recorren las moléculas de aire entre colisiones. Entonces, para este problema específico, necesitamos introducir detalles microscópicos que la teoría clásica simplemente no tiene en cuenta.

Cómo una capa microscópica de aire afecta las gotas de agua.

El comportamiento del aire sólo puede ser capturado por una teoría desarrollada originalmente para flujos de gas aerodinámicos violentos, como los transbordadores espaciales que ingresan a la atmósfera de la Tierra, a saber, la teoría cinética de los gases. Mi nuevo artículo, publicado en Physical Review Letters, es el primero en utilizar la teoría cinética para comprender cómo se comporta la película de aire cuando es desplazada por un líquido que se extiende sobre un sólido.

El artículo establece criterios para la velocidad máxima a la que un líquido puede extenderse de manera estable sobre un sólido. Ya se sabía que para que se produzca un chapoteo se debe superar esta velocidad crítica. Si la velocidad es inferior a eso, la gota se propaga suavemente en su lugar. En particular, la nueva teoría explica por qué la reducción de la presión del aire puede suprimir las salpicaduras: en este caso, el aire escapa más fácilmente de la capa y ofrece menos resistencia a la gota de líquido. Esta es la pieza que faltaba en un rompecabezas al que se han realizado numerosas e importantes contribuciones científicas desde los descubrimientos experimentales de 2005.

Aplicaciones importantes

Si bien es de interés científico fundamental, la comprensión de las condiciones que causan las salpicaduras puede aprovecharse y conducir a posibles avances en una serie de campos prácticos.

Un ejemplo es la impresión 3D, donde las gotas de líquido forman los componentes básicos de productos hechos a medida, como los audífonos. Aquí, dejar de salpicar es clave para hacer productos de la calidad deseada. Otra área importante es la ciencia forense, donde el análisis de patrones de manchas de sangre se basa en las características de las salpicaduras para proporcionar información sobre el origen de la sangre y obtener información vital en una investigación criminal.

Lo más prometedor es que la nueva teoría tendrá aplicaciones en una amplia gama de flujos relacionados donde aparecen capas microscópicas de aire. Por ejemplo, en la ciencia del clima nos permitirá comprender cómo chocan las gotas de agua durante la formación de las nubes y estimar la cantidad de gas que las lluvias arrastran a nuestros océanos.

Tenga esto en cuenta la próxima vez que salpique gotas de café en su escritorio. Tómese un momento para admirar el patrón y apreciar la complejidad subyacente antes de maldecir y dirigirse a la parte superior de su elección.

James Sprittles, Profesor Asistente de Matemáticas, Universidad de Warwick

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.

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