MIT ,El extraño comportamiento de Oobleck ahora es predecible

Oobleck ahora es predecible
MIT-Imagen A. Baumgarten, K. Kamrin y J. Bales

El extraño comportamiento de Oobleck ahora es predecible

Los ingenieros del MIT desarrollan un modelo que predice cómo la mezcla de maicena y agua cambia de líquido a sólido y viceversa.   Ver video

Jennifer Chu | Oficina de noticias del MIT
5 de octubre de 2019

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Es un fenómeno que muchos preescolares conocen bien: cuando mezclas maicena y agua, suceden cosas extrañas. Agítalo suavemente en un tazón y la mezcla se derrama como un líquido. Aprieta, y comienza a sentirse como pasta. Enróllalo entre tus manos y se solidificará en una bola de goma. Intenta sostener esa pelota en la palma de tu mano, y goteará como un líquido.

Oobleck ahora es predecible
MIT-Kem Kamrin -busca comportamientos fundamentales en arena

La mayoría de nosotros que hemos jugado con estas cosas lo conocemos como “oobleck”, llamado así por una pegajosa sustancia verde en “Bartholomew and the Oobleck” del Dr. Seuss. Los científicos, por otro lado, se refieren a la maicena y el agua como un “no -Newtonian fluid ”: un material que parece más grueso o más delgado dependiendo de cómo se manipule físicamente.

Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un modelo matemático que predice el comportamiento extraño de oobleck. Usando su modelo, los investigadores simularon con precisión cómo Oobleck cambia de líquido a sólido y viceversa, bajo varias condiciones.

Además de predecir qué podrían hacer las cosas en manos de los niños pequeños, el nuevo modelo puede ser útil para predecir cómo se comportarían oobleck y otras soluciones de partículas ultrafinas para aplicaciones militares e industriales. ¿Podría una sustancia parecida a un oobleck llenar los baches de las autopistas y endurecerse temporalmente cuando un automóvil pasa sobre ella? O tal vez la lechada podría rellenar el revestimiento de los chalecos antibalas, transformándose brevemente en un escudo adicional contra impactos repentinos. Con el nuevo modelo oobleck del equipo, los diseñadores e ingenieros pueden comenzar a explorar tales posibilidades.

“Es un material simple de hacer: vas a la tienda de comestibles, compras almidón de maíz y luego abres la llave”, dice Ken Kamrin, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Pero resulta que las reglas que gobiernan cómo fluye este material son muy matizadas”.

Aaron Baumgarten

Kamrin, junto con el estudiante graduado Aaron Baumgarten, han publicado sus resultados hoy en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias .

Oobleck ahora es predecible

El trabajo principal de Kamrin se centra en caracterizar el flujo de material granular como la arena.

Con los años, ha desarrollado un modelo matemático que predice con precisión el flujo de granos secos en diferentes condiciones y entornos. Cuando Baumgarten se unió al grupo, los investigadores comenzaron a trabajar en un modelo para describir cómo se mueve la arena húmeda saturada. Fue por esta época cuando Kamrin y Baumgarten vieron una charla científica sobre oobleck.

“Habíamos visto esta charla, y tuvimos un largo debate sobre qué es oobleck y cómo es diferente de la arena húmeda”, dice Kamrin. “Después de algo vigoroso de un lado a otro con Aaron, decidió ver si podíamos convertir este modelo de arena mojada en uno para oobleck”.

El material granular en oobleck es mucho más fino que la arena: una sola partícula de almidón de maíz tiene aproximadamente 1 a 10 micras de ancho y aproximadamente una centésima parte del tamaño de un grano de arena. Kamrin dice que las partículas a una escala tan pequeña experimentan efectos que las partículas más grandes como la arena no lo hacen. Por ejemplo, debido a que las partículas de almidón de maíz son tan pequeñas, pueden verse influidas por la temperatura y por las cargas eléctricas que se acumulan entre las partículas, lo que hace que se repelen ligeramente entre sí.         Oobleck ahora es predecible

“Mientras se aplaste lentamente, los granos se repelerán, manteniendo una capa de fluido entre ellos, y simplemente se deslizarán uno al lado del otro, como un fluido”, dice Kamrin. “Pero si haces algo demasiado rápido, superarás esa pequeña repulsión, las partículas se tocarán, habrá fricción y actuará como un sólido”.

Esta repulsión que ocurre a pequeña escala pone de manifiesto una diferencia clave entre las mezclas de granos grandes y ultrafinas a escala de laboratorio: la viscosidad o la consistencia de la arena húmeda a una densidad de empaque dada sigue siendo la misma, ya sea que la revuelva suavemente o golpee con el puño eso. En contraste, oobleck tiene una baja viscosidad similar a un líquido cuando se agita lentamente. Pero si se perfora su superficie, una zona de la lechada de rápido crecimiento adyacente al punto de contacto se vuelve más viscosa, lo que hace que la superficie de oobleck se recupere y resista el impacto, como un trampolín sólido.

Descubrieron que el estrés era el factor principal para determinar si un material era más o menos viscoso. Por ejemplo, cuanto más rápido y con más fuerza se perturba el oock, más “aglomerado” es, es decir, cuanto más las partículas subyacentes hacen contacto de fricción, en lugar de lubricado. Si se deforma lenta y suavemente, el oobleck es menos viscoso, con partículas que se distribuyen de manera más uniforme y que se repelen entre sí, como un líquido.

El equipo buscó modelar el efecto de la repulsión de partículas finas, con la idea de que quizás se podría agregar una nueva “variable de aglomeración” a su modelo de arena húmeda para hacer un modelo preciso de oobleck. En su modelo, incluyeron términos matemáticos para describir cómo esta variable crecería y se reduciría bajo cierto estrés o fuerza.

“Ahora tenemos una forma robusta de modelar qué tan grumosa será cualquier parte del material en el cuerpo a medida que se deforma de manera arbitraria”, dice Baumgarten.

Un nuevo modelo predice cómo la maicena y el agua, un fluido no newtoniano, pueden comportarse como un sólido o líquido, dependiendo de qué tan rápido se deforme. Cuando se arremolina lentamente en un vaso, la mezcla actúa como un líquido. Pero cuando se deforma rápidamente, puede comportarse como un sólido gomoso, formando una cuerda similar a un pegamento como (como se muestra aquí en serie) un martillo saca un clavo de la mezcla.

Ruedas girando        Oobleck ahora es predecible       

Los investigadores incorporaron esta nueva variable en su modelo más general para arena húmeda y analizaron si predeciría el comportamiento de oobleck. Utilizaron su modelo para simular experimentos anteriores de otros, incluida una configuración simple de oobleck que se aprieta y se corta entre dos placas, y un conjunto de experimentos en los que se dispara un pequeño proyectil en un tanque de oobleck a diferentes velocidades.

En todos los escenarios, las simulaciones coincidieron con los datos experimentales y reprodujeron el movimiento del oobleck, replicando las regiones donde se transformó de líquido a sólido, y viceversa.

Para ver cómo su modelo podía predecir el comportamiento de oobleck en condiciones más complejas, el equipo simuló una rueda con puntas a diferentes velocidades sobre un lecho profundo de la lechada. Descubrieron que cuanto más rápido giraba la rueda, más se formaba la mezcla que Baumgarten llama un “frente de solidificación” en el oobleck, que soporta momentáneamente la rueda para que pueda rodar sin hundirse.

Kamrin y Baumgarten dicen que el nuevo modelo puede usarse para explorar cómo se comportan diversas soluciones de partículas ultrafinas, como el oobleck, cuando se utilizan, por ejemplo, para rellenos de baches o chalecos antibalas. Dicen que el modelo también podría ayudar a identificar formas de redirigir lodos a través de sistemas como plantas industriales.

“Con los productos de desecho industrial, puede obtener suspensiones de partículas finas que no fluyen de la manera esperada, y tiene que moverlos de este tanque a ese tanque, y puede haber mejores prácticas que la gente aún no conoce, porque no hay modelo para eso “, dice Kamrin. “Tal vez ahora lo hay”.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército y la National Science Foundation.

 Oobleck ahora es predecible 

Fluidos no-newtonianos   

Se puede ver, que si la persona camina rápidamente sobre el fluido puede llegar al otro extremo de la piscina sin problemas, pero si se detiene sobre esta, se hunde y el Oobleck revela su estado líquido. Esto sucede porque se trata de una sustancia dependiente de la presión que se le aplica. Al tocarlo con suficiente fuerza, el oobleck parece un sólido, ya que esto provoca que su viscosidad aumente.          Oobleck ahora es predecible 

Estos fluídos cuya viscosidad no es definida y constante, sino que depende de la presión a la que es sometida, se conocen como fluídos no-newtonianos.

Hasta hace un tiempo, el problema con estos líquidos-sólidos era que que los científicos no podían explicar por completo cómo ocurría este fenómeno. Por suerte, hoy se conoce la respuesta a esta interrogante. Si bien existían varias hipótesis, recientemente se ha llevado a cabo un experimento que ha permitido demostrar experimentalmente este hecho con gran precisión.


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