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AERODINÁMICA MECÁNICA DE FLUDOS

Micromáquinas para ayudar a resolver el espinoso problema de las turbulencias

Como multitudes de diminutos luchadores de yudo entrenados para aprovechar'la fuerza de adversarios mucho más fuertes, se están desarrollando máquinas del tamaño de, la cabeza de un alfiler para sustituir, en el control de aviones y barcos, a mecanismos convencionales que consumen mucha energía, como los timones. Los sistemas microelectromecánicos, o MEMS en las siglas inglesas, prometen también ser un medio para reducir la. resistencia turbulenta al avance que frena a aviones y barcos, dificulta la circulación en los vasos sanguineos o complica la administración de medicamentos.La turbulencia, la perturbación caótica en remolinos y espirales de un fluido que se desplaza de forma regular, es común en la vida diaria (en la leche cuando se mezcla con el café en la taza, en las complejas pautas meteorológicas que barren los cielos de la Tierra y de Júpiter, en la formación de galaxias como la Vía Láctea), Pero las ecuaciones matemáticas que utilizan los científicos para explicar la turbulencia son tan difíciles de resolver que hasta hace muy poco sólo eran posibles soluciones aproximadas.

Los problemas prácticos planteados por la turbulencia son enormes: resta velocidad y eficiencia de consumo a aviones, barcos, submarinos y torpedos; contribuye a la formación de coágulos en los vasos sanguíneos; dificulta la corriente de agua en las mangueras de incendio y complica de incontables maneras la tecnología.

Pero los viejos problemas han empezado a ceder ante un esfuerzo en dos direcciones. En el frente teórico, una nueva generación de ordenadores ha permitido calcular los primeros modelos numéricos detallados de la turbulencia. En el control práctico, se han incorporado diminutos sensores dé, presión y temperatura, resortes, motores y minúsculas máquinas en chips de silicio.

Capa límite

Cuando las numerosas capas de fluido dentro de una capa límite se deslizan una tras otra suavemente en una gradación uniforme de velocidades, al flujo resultante se le denomina laminar, y supone una resistencia al avance relativamente baja para el avión o el barco. Pero el flujo uniforme puede verse interrumpido por un objeto tan pequeño como un insecto aplastado contra el borde de ataque de un ala. Entonces, las capas uniformes de aire forman enmarañados. remolinos y el flujo es turbulento.

Los logros en la Universida de de California en Los Ángeles, en Caltech y otros centros hacen pensar en un nuevo planteamiento del problema creando pieles para aviones y barcos que cambien de forma en respuesta a cambios microscópicos en el flujo de los fluidos que los rodean. Este control de la turbulencia utiliza enormes conjuntos de dispositivos microelectromecánicos bajo control informático para crear superficies de alas o cascos capaces de percibir el inicio de diminutos remolinos turbulentos en una capa limite y de sofocarlos antes. de que se hagan completamente turbulentos.

Chi-Ming Ho, de Caltech, explica que los sensores microscópicos pueden detectar los minúsculos cambios en la presión la temperatura y la fuerza de cizalla que precede a la formación de un remolino turbulento en un fluido en movimiento, y transmitir esta información a unos microprocesadores, que accionen pequeñas máquinas para levantar aletas del tamaño de una cabeza de alfiler que eliminan la turbulencia.

Mayor rendimiento

Las microaletas podrían incluso instalarse, dicen los fisicos, dentro de paletas de turbinas para mejorar el flujo de aire y combustible y para permitir temperaturas más altas de funcionamiento en el motor, lo que incrementaría el rendimiento. Aunque un solo dispositivo MEMS es muy pequeño y puede estropearse fácilmente con un golpe (una patada, por ejemplo), la enorme cantidad de MEMS que se utilizarían en el ala de un avión podría absorber parte de la pérdida sin que se resintiera el rendimiento.

"El cuerpo humano es, en gran parte, una cuestión de mecánica de fluidos", explica Ho. "Se podrían utilizar los MEMS para crear un sistema intravenoso implantable, microscópico, en el que diminutos sensores químicos controlaran continuamente los niveles en la sangre de medicamentos como la insulina y administraran automáticamente dosis correctoras", dice.

Fenicios y delfines

El físico británico Lewis Fry Richardson, en 1922 escribió: "Los remolinos grandes tienen remolinos pequeños/ que se alimentan de su velocidad / y los remolinos pequeños tienen remolinos aún más pequeños, / y así sucesivamente hasta la viscosidad".El empeño por domar este flujo turbulento se remonta a los antiguos fenicios, quienes descubrieron que, untando sebo en los cascos de sus barcos, éstos eran más rápidos. Siglos después se han elaborado las teorías de la mecánica de fluidos para explicar estos trucos y mejorarlos.

El Ejército de EE UU y la NASA han hecho experimentos con, sistemas microscópicos de control de turbulencias. Para hacer más veloces los submarinos han probado maquetas que despiden nubes de micro-burbujas desde el poroso casco, o que, como los delfines segregan una especie de baba. Ambas técnicas deshacen los microscópicos remolinos y reducen la resistencia, pero resultan, por ahora, poco prácticas en naves de tamaño real.

* Este artículo apareció en la edición impresa del Miércoles, 10 de mayo de 1995

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