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Tornado acústico

Alberto Requena
ALBERTO REQUENA

Una descarga eléctrica, cámara de combustión o una boquilla que proyecta un chorro de tinta, entre otras técnicas, permiten romper gotas empleando un campo eléctrico. El mecanismo de su producción se conoce hace más de medio siglo, en que Taylor estudió el proceso de la fisión. Cuando se supera un cierto valor del campo, límite de Taylor, que depende inversamente del cuadrado del radio de las gotas, la repulsión culombiana supera las fuerzas intermoleculares atractivas que operan en la superficie de las gotas, provocando la ruptura de las mismas y la generación de un chorro de gotitas más pequeñas.

Las propiedades macroscópicas son magnitudes promedio. La concentración, el pH o la densidad de carga no son uniformes en todo el sistema. La homogeneidad es un aspecto a cuidar para conseguir repetibilidad. Pero cuando un sistema de gotas se rompe en otras más pequeñas, aquéllas magnitudes pueden diferir apreciablemente. Se desconoce el mecanismo por el que las propiedades de las gotas originales pasan a las nuevas gotas, tanto si se trata de fluidos moleculares como de iónicos. La dinámica presenta una singularidad con un pico muy agudo que corresponde al instante en que tiene lugar la ruptura de las gotas.

La técnica para producir los chorros de gotas es la ionización inducida por el campo eléctrico. Consiste en que una serie de gotas se dejan caer entre dos placas de un condensador cargado. Conforme van cayendo, el campo eléctrico existente entre las placas del condensador polariza las gotas y toman forma de elipsoide que, dependiendo de la carga neta de la gota, genera chorros que apuntan a los electrodos. (placas). Se puede ajustar la intensidad del campo eléctrico y la carga neta y experimentar la dinámica de las gotas, pero solo durante los pocos milisegundos que permanecen entre las placas del condensador mientras caen.

Aquí es donde tiene interés la propuesta de Warschat y Riedel de una técnica acústica que permite hacer levitar las gotitas en pleno vuelo electrificado. El levitador consiste en un campo de ultrasonidos de 40 kilohercios, que genera una presión vertical que se dirige entre los dos electrodos horizontales. Así se logra que una gota permanezca desde unos segundos hasta horas. La única limitación es la evaporación. Se puede completar el dispositivo con un espectrómetro de masas que puede capturar las gotitas producidas y analizar su composición. La opción de la levitación óptica, presenta la servidumbre del calentamiento, que no se da en la levitación acústica. Mientras la caída de las gotas es libre, los métodos electrodinámicos y los ópticos quedan restringidos a gotas con un diámetro de decenas de micra. Cuando una onda acústica de unos 40 kilohercios las hace levitar, las gotas son dos órdenes de magnitud mayor, hasta 5 milímetros. La baja proporción entre superficie y volumen de las gotas y una mínima evaporación hacen que las gotas mayores tengan una vida media mayor.

La levitación acústica es una técnica con mucha utilidad en un laboratorio en el que se manejen líquidos. No permite suspender materiales como la levitación magnética, pero si líquidos para observación y análisis. No requiere un equipamiento sofisticado. El principio es el que opera cuando observamos un altavoz y percibimos los golpes de aire que acompasan el movimiento de las membranas que lo cubren y se mueven conforme recibe los impulsos generadores del sonido. En un concierto, que suelen emplear altavoces con alto volumen, percibimos el empuje del aire que provocan y que son detectables a distancia notable. Ese mismo empuje, con el aire de mediador es el que permite lograr la levitación. Si se emplean ultrasonidos, no es necesario escuchar ni siquiera la composición musical para lograr la levitación. Con sensores de estacionamiento, controlador de un motor, un microcontrolador de placa como el Arduino y una pieza a medida, impresa en 3D, lo podemos construir. Se puede ver con detalle en esta dirección.

Gotas de agua, granos de café y, hasta palillos de los dientes, ya han levitado. La levitación permite manejar objetos sin tocarlos. Promete en el campo de la microcirugía, ya que al flotar no se contamina del contacto con los tejidos. No presenta restricciones como la levitación magnética al aplicarse a materiales líquidos o sólidos. Son como tornados acústicos. Todas las líneas de producción susceptibles de evitar el contacto, son potencialmente beneficiarias. En el fondo, es una lucha contra la gravedad que nos atenaza y condiciona.