Fotografía de un salto hidráulico circular. El diámetro del chorro es de 0,9 mm.
© Goerlinger and al.
Cuando un chorro de agua vertical golpea una superficie plana -por ejemplo, el fondo de un fregadero- se forma alrededor del impacto una pared líquida circular. Este fenómeno de ''salto hidráulico'', observado desde hace tiempo, puede volverse oscilante: la pared líquida se abre y cierra varias veces por segundo, y bajo ciertas condiciones estas oscilaciones continúan mientras el sistema no se perturbe. Un equipo de investigadores del Instituto de Electrónica, Microelectrónica y Nanotecnología (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France) ha reportado este fenómeno por primera vez, identificado los parámetros que rigen su aparición espontánea, y propuesto una explicación de su mecanismo.
Para estudiar experimentalmente el salto hidráulico, los investigadores utilizaron un chorro de agua de menos de 1 mm de diámetro, proyectado a través de una aguja sobre un disco de plexiglás. La formación y evolución del salto hidráulico alrededor del chorro se observaron con una cámara colocada debajo del disco. Al variar los parámetros del experimento, el equipo demostró que una oscilación estable sólo se forma en un rango de flujo (entre 1,8 ml/s y 2,2 ml/s), pero una vez instaurada, su período es independiente del flujo. Sin embargo, el período de oscilación aumenta con el tamaño de los discos utilizados, cuyo radio variaba de 1 a 6 cm.
Para explicar estas observaciones, se elaboró un modelo teórico de la capa de agua sobre el disco, en la cual el salto genera ondulaciones (ondas de gravedad). Esto permitió demostrar que el disco actúa como una cavidad para estas ondas y observar que la frecuencia de oscilación del salto medida experimentalmente siempre corresponde a una frecuencia natural de la cavidad prevista por el modelo.
Por lo tanto, la capa de líquido sobre el disco actúa como una caja de resonancia para las ondulaciones, y son las variaciones periódicas de la altura de la capa de agua las que provocan las oscilaciones del salto hidráulico. El modelo también predice la correlación entre el período de oscilación y el radio del disco, tal como se observó experimentalmente.
Además, el estudio demostró que al descentrar el impacto del chorro sobre el disco, se obtenían otras frecuencias de oscilación. Finalmente, mediante el uso de dos chorros simultáneos, se pueden obtener dos saltos sincronizados que oscilan en oposición de fase.
Estos resultados podrían permitir mejorar la eficiencia de los chorros de agua utilizados para la limpieza o el enfriamiento en procesos industriales, evitando la formación del salto hidráulico. En un plano más fundamental, el equipo planea explorar la influencia de otros parámetros como la viscosidad del fluido y la rugosidad superficial del disco, o incluso aumentar el número de chorros.
Referencias:
Oscilaciones y modos de cavidad en el salto hidráulico circular.
Aurélien Goerlinger, Michael Baudoin, Farzam Zoueshtiagh y Alexis Duchesne.
Physical Review Letters, 8 de noviembre de 2023.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.194001
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