La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

Arrastre inverso en enjambres: Ir a rebufo no siempre cuesta menos

Posted by Carlos en noviembre 7, 2008

Todos tenemos frescas en la memoria imágenes de la Vuelta Ciclista o del Tour en las que un corredor (al que calificamos de insolidario caradura si es extranjero, o de inteligente estratega si es nacional) se pega a la rueda del ciclista de delante, sin dar un relevo, y llega a meta con las fuerzas intactas para demarrar y ganar al sprint. El ir a rebufo permite al corredor aprovecharse de una menor resistencia del aire, debido a las turbulencias que el líder genera, y que le roban velocidad a éste. El mismo efecto lo vemos en funcionamiento en las carreras de motos o de Formula 1, cuando un piloto consigue entrar en la zona de aspiración de otro monoplaza, lo que en ese caso da ventaja a la hora de intentar un adelantamiento. Este tipo de fenómenos es tan normal en nuestra experiencia cotidiana (no hace falta ser piloto de Formula 1; basta con salir a pasear con un acompañante un día de mucho viento), que podemos pensar que es más o menos universal, y aplicable por ejemplo a enjambres de animales. De hecho, ésa es la interpretación intuitiva que solemos hacer de por ejemplo la formación de una bandada de pájaros, en la que interpretamos que el pájaro al frente de la misma de alguna manera “abre camino” a los que van detrás. Sin embargo, las cosas no son tan simples como pudiera parecer. Esto es lo que un reciente trabajo de Leif Ristroph and Jun Zhang, el primero estudiante graduado en Cornell y el segundo profesor en la New York University, han mostrado en un trabajo que lleva por título

que acaba de ser publicado en Physical Review Letters. El estudio de Ristroph y Zhang se ha centrado en el comportamiento de objetos flexibles inmersos en un flujo. A diferencia de los objetos más o menos rígidos, como un coche de Formula 1 o un ciclista, un objeto flexible responde al flujo cimbreándose, lo que introduce perturbaciones en el fluido que realimentan a su vez el cimbreado. El resultado es un complejo comportamiento que puede dar lugar a situaciones enormemente antiintuitivas. Uno de los experimentos realizados en en el trabajo reseñado consiste en generar una fina película de agua jabonosa sobre la que se sitúan unos pequeños filamentos de goma (de unos 2cm de longitud, y apenas 0.3mm de diámetro). El conjunto se somete a un flujo de líquido que circula a 2m/s, de resultas del cual los filamentos ondean como banderas unidimensionales. De dicha oscilación puede medirse la amplitud y la frecuencia, y determinar cómo varía ésta en función de la presencia de otro filamento corriente arriba o abajo. Así, un filamento aislado tiene una frecuencia de oscilación f0=35.8Hz, una amplitud A0=1.36cm, y experimenta un arrastre D0=5.2 g cm/s2. La cosa varía cuando se sitúa a otro filamento corriente abajo. Más aún, el cómo varía depende de cómo de cerca está el segundo filamento. La imagen inferior muestra la evolución del arrastre y la amplitud de la oscilación experimentada por cada uno de los dos filamentos (los cuadrados corresponden al líder, y los círculos al que va a rebufo) en función de la distancia que los separa.

Ristroph and Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 194502 (2008)

Arrastre y amplitud de oscilación de dos filamentos en función de la distancia que los separa. Credit: Ristroph and Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 194502 (2008)

Como puede verse cuando la separación es pequeña, y el seguidor está justo al final del líder, este último experimenta la mitad de arrastre y de oscilación, mientras que el seguidor no ve reducido ni un ápice la resistencia encontrada. Si se aumenta un poco más la separación, el seguidor deja de tener un efecto reductor en el arrastre que experimenta el líder, pero el mismo empieza a experimentar un arrastre mucho mayor, hasta un 50% más. Este arrastre inverso tan sorprendente se da también cuando hay grupos mayores de objetos. La figura inferior muestra la situación con 6 filamentos uno tras otro.

Ristroph and Zhang,

Arrastre experimentado por seis filamentos en tandem. Credit: Ristroph and Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 194502 (2008)

Como puede verse, en este caso el segundo filamento se beneficia de la presencia del tercero cuando están inmediatamente situados uno tras otro, aunque el primero sigue experimentando una reducción todavía mayor del arrastre. El tercero y el cuarto no notan reducción en relación al arrastre que experimentarían de estar en solitario, mientras que los últimos nuevamente se ven favorecidos. Si la distancia entre filamentos es mayor, el segundo filamento se ve perjudicado, pero no así los restantes. Lo más interesante es que considerado en conjunto, el enjambre experimenta menor arrastre del que sufrirían si fueran de manera independiente.

La comprensión exacta del porqué de estos fenómenos no está al alcance por el momento, pero a grandes rasgos la explicación está en el modo en el que las turbulencias compensan o refuerzan la oscilación de los filamentos. Se trata de procesos altamente no lineales, por lo que la simulación y los métodos numéricos serán esenciales. Mientras tanto, la próxima vez que veamos una bandada de pájaros, quizás habrá que pensar que son los segundos de la fila los que realmente van abriendo camino.

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