Turbulencia: El más importante problema de física clásica aún no resuelto

El título de este artículo es una cita del físico Richard Feynman, premio Nobel de física y considerado uno de los más grandes científicos de todos los tiempos.

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Por: Redacción

El título de este artículo es una cita del físico Richard Feynman, premio Nobel de física y considerado uno de los más grandes científicos de todos los tiempos.  En dinámica de fluidos se dice que un fluido es turbulento cuando sufre cambios caóticos en su flujo de velocidad.

En contraste, un fluido es laminar cuando fluye en líneas paralelas tales que entre ellas no se perturban. La turbulencia es un fenómeno que encontramos en muchos lugares comunes como el humo de un cigarro que se eleva haciendo remolinos, o en los torbellinos de un rio caudaloso, o en las tolvaneras, ciclones y huracanes atmosféricos, o en el aire o agua que queda atrás del paso de un avión, un auto, o un barco veloz. La turbulencia se produce cuando la energía cinética del fluido excede el efecto de amortiguamiento debido a la viscosidad del fluido, de hecho el cociente entre estas dos cantidades se conoce como número de Reynolds.

Como Feynman señala en la cita anterior, la descripción teórica de este fenómeno es de extrema complejidad, tanto así que no existe una teoría general de turbulencia. Por cierto, ¡el Instituto de Matemáticas Clay en Estados Unidos ofrece un premio de un millón de dólares a quien presente una teoría general de turbulencia! Hay teorías y aproximaciones parciales que estudian casos especiales, por ejemplo el caso de fluidos bidimensionales como son los electrones en una superficie semiconductora o, con menor precisión, la gran mancha roja de la superficie de Júpiter.

El premio Nobel de física Lars Onsager propuso en 1949 una teoría para explicar la formación de vórtices en fluidos turbulentos de dos dimensiones. Para obtener su teoría Onsager supuso que el fluido es un “superfluido”, es decir, que carece de viscosidad o arrastre. Esto es algo que en el mundo cotidiano no ocurre pero se puede lograr a temperaturas extremadamente bajas. Esto mismo ha causado que probar la teoría de Onsager sea muy difícil, hasta ahora pues científicos australianos acaban de publicar simultáneamente, dos importantes artículos en la revista Science (G. Gauthier et al. “Giant vortex clusters in a two-dimensional quantum fluid”. Science, 2019; 364 y S. P. Johnstone et al. “Evolution of large-scale flow from turbulence in a two-dimensional superfluid”. Science, 2019; 364) en donde analizan la evolución de vórtices turbulentos en fluidos cuánticos bidimensionales. Estos trabajos son importantes en el estudio de superfluidos y particularmente en la física de superconductores además de que representan la primera prueba de la teoría de turbulencia de Onsager desarrollada hace setenta años.

Hay teorías y aproximaciones parciales que estudian casos especiales, por ejemplo el caso de fluidos bidimensionales como son los electrones en una superficie semiconductora o, con menor precisión, la gran mancha roja de la superficie de Júpiter.

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