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Este es un fenómeno que muchos preescolares saben: cuando mezclas maicena y agua, suceden cosas extrañas. Agítalo suavemente en un tazón y la mezcla se deslizará como un líquido. Aprieta, y comienza a sentirse como masa. Enróllalo entre tus manos y se solidificará en una bola de goma. Intenta sostener esta pelota en la palma de tu mano, y se acabará como un líquido.
La mayoría de nosotros que hemos jugado con este producto lo conocemos como "oobleck", el nombre de una telenovela verde y pegajosa en "Bartholomew and the Oobleck" del Dr. Seuss. -Newtonian fluid ": un material que se ve más grueso o más delgado dependiendo de cómo se maneja físicamente.
Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un modelo matemático que predice el extraño comportamiento de oobleck. Con la ayuda de su modelo, los investigadores simularon con precisión el paso de un líquido a un sólido y viceversa, en diversas condiciones.
Además de predecir qué equipo puede hacer 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 similar a un oobleck llenar los baches de las carreteras y endurecerse temporalmente cuando un automóvil pasa sobre ellas? O tal vez la lechada podría cubrir el revestimiento con chalecos antibalas, convirtiéndose 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 el grifo", dice Ken Kamrin, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Pero resulta que las reglas que rigen la forma en que fluyen estos materiales están muy matizadas".
Kamrin y el estudiante graduado Aaron Baumgarten han publicado sus hallazgos hoy en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Un modelo robusto
El trabajo principal de Kamrin se centra en caracterizar el flujo de materiales granulares como la arena. A lo largo de 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 que describe cómo se mueve la arena húmeda saturada. Fue en este momento que Kamrin y Baumgarten asistieron a una conferencia científica sobre oobleck.
"Habíamos visto esta conversación y tuvimos una larga discusión sobre el oblock y su diferencia con la arena mojada", dice Kamrin. "Después de algunos intercambios vigorosos con Aaron, decidió ver si podíamos convertir este modelo de arena mojada en un modelo para oobleck".
El material granular en oobleck es mucho más delgado que la arena: una sola partícula de almidón de maíz es de aproximadamente 1 a 10 micras de ancho y aproximadamente una centésima del tamaño de un grano de arena. Kamrin dice que las partículas a una escala tan pequeña tienen efectos que las partículas más grandes como la arena no sufren. Por ejemplo, las partículas de almidón de maíz son tan pequeñas que pueden verse influenciadas por la temperatura y las cargas eléctricas que se acumulan entre las partículas, lo que las empuja a repelerse ligeramente.
"Mientras se reduzca lentamente, los granos se repelen entre sí, manteniendo una capa de fluido entre ellos y deslizándose unos sobre otros como un fluido", dice Kamrin. "Pero si haces algo demasiado rápido, superarás esta pequeña repulsión, las partículas se tocarán entre sí, habrá fricción y actuará como un sólido".
Esta repulsión, que ocurre a pequeña escala, revela una diferencia esencial entre las mezclas de granos a gran escala y ultrafinas a escala de laboratorio: la viscosidad o consistencia de la arena húmeda a una densidad de empaque dada sigue siendo la misma, ya sea 'uno tiembla suavemente o que él. En contraste, oobleck tiene una baja viscosidad similar a la de un líquido cuando se agita lentamente. Pero si su superficie se perfora, un área de lechada de rápido crecimiento adyacente al punto de contacto se vuelve más viscosa, lo que hace que la superficie del oobleck rebote y sea resistente al 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 se interrumpe el paso de oobleck más rápido y más fuerte, más es "grande", es decir, más las partículas subyacentes crean contacto de fricción en lugar del hecho. Un contacto lubricado. Si se deforma lenta y suavemente, el oobleck es menos viscoso, con partículas mejor distribuidas y que se repelen entre sí, en forma de líquido.
El equipo buscó modelar el efecto de la repulsión de partículas finas, pensando que podría agregarse una nueva "variable de densidad" a su modelo de arena húmeda para crear un modelo de oobleck preciso. En su modelo, incluyeron términos matemáticos para describir cómo esta variable aumentaría y disminuiría bajo cierto estrés o fuerza.
"Ahora tenemos una forma robusta de modelar la naturaleza aglomerada de cualquier pieza de material en el cuerpo cuando se deforma arbitrariamente", dice Baumgarten.
Ruedas que giran
Los investigadores incorporaron esta nueva variable en su modelo más general de arena húmeda y observaron si predeciría el comportamiento del oobleck. Utilizaron su modelo para simular experimentos previos realizados por otros, incluida una configuración simple de oobleck presionada y cortada entre dos placas y una serie de experimentos en los que se dispara un pequeño proyectil en un tanque de oobleck a diferentes niveles. velocidades.
En todos los escenarios, las simulaciones correspondieron a los datos experimentales y reprodujeron el movimiento del oobleck, reproduciendo las regiones donde había pasado de líquido a sólido, y viceversa.
Para ver cómo su modelo podía predecir el comportamiento del oobleck en condiciones más complejas, el equipo simuló una rueda de pierna que conducía a diferentes velocidades sobre una capa profunda de estiércol. Descubrieron que cuanto más rápido gira la rueda, más se forma la mezcla formada por lo que Baumgarten llama un "frente de solidificación" en el puente oblicuo, apoyando momentáneamente la rueda para que pueda rodar sin hundirse.
Kamrin y Baumgarten creen que el nuevo modelo puede usarse para explorar el comportamiento de varias soluciones de partículas ultrafinas, como el oobleck, cuando se usan, por ejemplo, para llenar baches o chalecos protectores. bolas. Según ellos, el modelo también podría ayudar a identificar formas de redirigir el lodo a través de sistemas como instalaciones industriales.
"Con los desechos industriales, puede obtener suspensiones de partículas finas que no fluyen como se esperaba. Tienes que moverlos de este tanque a este tanque, y puede haber mejores prácticas que la gente aún no conoce, porque no hay una plantilla para eso ", dice Kamrin. "Tal vez ahora hay algunos".
Esta investigación fue financiada en parte por la Oficina de Investigación del Ejército y la National Science Foundation.
