Un estudiante resuelve un enigma físico de hace un siglo

Un estudiante tunecino, Wassim Dhaouadi, ha resuelto en Suiza el problema enunciado hace un siglo de por qué las burbujas de gas en tubos verticales estrechos parecen permanecer atrapadas en lugar de elevarse hacia arriba.

Según su investigación y observaciones, se forma una película ultradelgada de líquido alrededor de la burbuja, evitando que se eleve libremente. Y descubrió que, de hecho, las burbujas no están atascadas, simplemente se mueven muy, muy lentamente.

Las burbujas de aire en un vaso de agua flotan libremente hacia la superficie, y los mecanismos detrás de esto se explican fácilmente por las leyes básicas de la ciencia. Sin embargo, las mismas leyes de la ciencia no pueden explicar por qué las burbujas de aire en un tubo de unos pocos milímetros de espesor no se elevan de la misma manera.

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 resistencia.

En la década de 1960, un científico llamado 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 por qué las burbujas no se elevan.

Mientras era estudiante de licenciatura en el Laboratorio de Mecánica de Ingeniería de Interfaces Suaves (EMSI) dentro de la Escuela de Ingeniería de la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana) en Suiza, 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.

Sus hallazgos mostraron que las burbujas no estaban pegadas, como pensaban los científicos anteriormente, sino que en realidad se movían hacia arriba extremadamente lentas. La investigación de Dhaouadi, que se publicó recientemente en Physical Review Fluids, marca 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 de espesor. El método implicaba dirigir la luz hacia una burbuja de aire dentro de un tubo estrecho y analizar la intensidad de la luz reflejada. 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", dice 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", según Kolinski.

Estos hallazgos se relacionan con la investigación fundamental, pero podrían usarse para estudiar la mecánica de fluidos a escala nanométrica, especialmente para sistemas biológicos.