Pequeños barcos de plástico pueden flotar boca abajo en la interfaz entre el aire y el líquido
A riesgo de decir lo obvio: los barcos flotan sobre el agua. Sin embargo, los investigadores franceses aparentemente han invertido la gravedad y han hecho flotar levitando un barco en la parte inferior de una capa de líquido.
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La inusual investigación sobre flotabilidad descubrió que pequeños botes de plástico pueden flotar boca abajo en la interfaz entre el aire y el líquido. No solo eso, las burbujas de gas en la mitad inferior de la capa líquida no se elevan, se hunden.
Cuando se colocan sobre un medio menos denso, como el aire, los líquidos caen con la gravedad debido a un efecto desestabilizador llamado inestabilidad de Rayleigh-Taylor.
A medida que el líquido se forma en gotas, desplaza el aire que está debajo y cae al fondo. Sin embargo, esto se puede superar haciendo vibrar un recipiente verticalmente: el movimiento mantiene plana la parte inferior de la capa de líquido, evitando que se formen gotas y, por lo tanto, no pueda desplazar el aire debajo. El resultado es una capa líquida que levita que no puede caer, y una capa de aire debajo de la cual se comprime, pero no puede elevarse.
Este no es un fenómeno nuevo; se conoce y se utiliza desde hace un tiempo. Pero hasta ahora, nadie ha estudiado cómo afecta eso a la flotabilidad en la interfaz inferior.
Benjamin Apffel de ESPCI Paris y sus colegas revelan que esta sacudida vertical también hace que la flotabilidad se mueva levitado en la superficie inferior del líquido, como si la gravedad se hubiera invertido.
Usando pequeños modelos de barcos y bolas de plástico, demostraron que en esta interfaz inferior, los objetos “flotarían” boca abajo como si estuvieran en la superficie superior. El efecto funcionó para objetos de hasta 7 g de masa y 2,5 cm de largo.
El efecto se debe en parte al equilibrio de presiones del aire atrapado debajo y el líquido de arriba. La capa de aire se comprime debido a la masa del líquido que empuja hacia abajo desde arriba; de manera similar, la densidad del líquido en la parte inferior es ligeramente más alta que en la parte superior debido a la masa del líquido de arriba.
Como resultado, el objeto en la interfaz inferior es empujado hacia arriba por la presión de la capa de aire. Luego, en la capa líquida, el objeto ejerce una fuerza de flotación hacia arriba hacia la superficie superior. Estas fuerzas ascendentes son contrarrestadas por la gravedad y la masa del objeto. Estas fuerzas alcanzan un equilibrio en la capa líquida y flota en su lugar.
"El principio de Arquímedes establece que la fuerza de flotación hacia arriba ejercida sobre un cuerpo sumergido, ya sea total o parcialmente sumergido, es igual al peso del fluido desplazado. Aunque pueda parecer contradictorio, la posición simétrica de transposición en la interfaz inferior también exhibe una fuerza de flotación hacia arriba igual al peso del líquido desplazado", escriben los investigadores.
En otras palabras, la fuerza de flotación siempre opera en contra de la gravedad y es equivalente a su desplazamiento, y no hacia la interfaz líquido/aire.
El efecto solo ocurre como un fenómeno dinámico: tanto el líquido como el aire deben vibrar verticalmente, dice Vladislav Sorokin de la Universidad de Auckland, que no participó en la investigación.
"Debido a la vibración, se produce una fuerza 'especial' promediada en el tiempo que actúa sobre el objeto sumergido (barco) en la interfaz inferior del fluido. Sin vibración (o si la frecuencia de vibración es demasiado baja) este fenómeno no ocurrirá".
En los experimentos, el equipo pudo levitar hasta medio litro de líquidos viscosos (aceite de silicona o glicerol) en recipientes de hasta 20 cm de ancho.
"Aún no se han revelado y explicado muchos notables fenómenos que surgen en los sistemas mecánicos vibrantes, particularmente en las interfaces entre gases y fluidos", escribe Sorokin en un comentario adjunto.
"Será emocionante descubrir qué fenómenos contraintuitivos pueden ser inducidos por excitaciones de alta frecuencia en sistemas no mecánicos. ¿Existe una contraparte química o biológica de la gravedad inversa?".
Los alucinantes resultados se han publicado en la revista Nature: Floating under a levitating liquid
