Turbulencia y caos

A finales del siglo XIX la física clásica parecía tenerlo todo dominado. "Sólo había dos nubarrones en el horizonte" se decía, dos fenómenos que no podían ser explicados: i) la radiación del cuerpo negro; ii) el experimento de Michelson y Morley de 1887. Los detalles de los mismos ya los explicaremos en otras entradas, pero el resultado fue, por un lado, el nacimiento de la teoría cuántica y, por otro, la teoría de la relatividad.

Ambas teorías fueron a completar nuestra descripción de la realidad (cosa que todavía no está hecha del todo) y al final resultó que la física clásica era una excelente aproximación para los objetos macroscópicos (o al menos lo suficientemente grandes) y para sistemas de referencia a velocidades notablemente menores que la de la luz.

Una de las principales premisas de las llamadas teorías clásicas de la física (Newtoniana y Relativista) es la objetividad de la realidad física a ser observada, es decir, la existencia de una realidad independiente del observador. La segunda premisa es el determinismo, es decir, conocidas las condiciones iniciales de forma exacta, se pueden predecir con total precisión lo que pasará de aquí en adelante, como si la naturaleza fuera una máquina cuyos engranajes se mueven a través de las leyes de la física. Sin embargo, la mecánica cuántica cuestiona todo esto (ya esto le dedicaremos otro post).

Por su lado, el desarrollo técnico, llevado por físicos e ingenieros, siempre va unos pasos por detrás respecto los últimos descubrimientos y especulaciones de física teórica. Aún hoy en día, todavía se le está sacando partido a la física clásica, por ejemplo en el caso de la mecánica de fluidos y transferencia de calor o el cálculo de estructuras.

Uno de los campos que más conozco, por trayectoria personal, es la mecánica de fluidos y la transferencia de calor. En física clásica, los fluidos se consideran como un medio continuo sobre el cual se le pueden aplicar los principios de conservación: masa, cantidad de movimiento y energía. Si se aplican estos principios de conservación sobre una porción de fluido infinitamente pequeña (infinitesimal, según el vocabulario apropiado) obtenemos un sistema de ecuaciones en derivadas parciales. La resolución de este problema matemático, aún resulta un desafío a la ciencia. Son las llamadas ecuaciones de Navier-Stokes.

Dependiendo de cómo sea el problema, la solución puede ser relativamente sencilla. El movimiento del fluido aparece como ordenado y la estructura del flujo tiene una disposición relativamente sencilla. Se trata el caso del llamado régimen laminar. En otras ocasiones el flujo es muy desordenado y caótico, se trata de régimen turbulento. ¿De qué depende? Pues del tipo de fuerzas dominante: si dominan las fuerzas que frenan el fluido, las de rozamiento viscoso, tenemos el flujo laminar, en caso contrario, turbulento.

La mecánica de fluidos no es ni mucho menos el único caso donde se aprecia el fenómeno de la turbulencia, existen otros ejemplos: el problema de los 3 cuerpos (atracción gravitatoria de 3 cuerpos), sistema depredador-presa e incluso las gotas del grifo y un largo etc. En todos estos problemas, en régimen turbulento, una pequeña variación en las condiciones iniciales provoca una solución final completamente distinta. Es la llamada indeterminación caótica, o el llamado "efecto mariposa". Debido a que en cualquier problema de la vida real resulta imposible establecer exactamente condiciones iniciales, la solución final que podamos predecir diferirá respecto a la realidad. La magnitud de los cálculos es de tal calibre que se pueden llegar a utilizar miles de procesadores a la vez (cálculo en paralelo) para solucionar problemas de física clásica o ingeniería. Es el caso de la mecánica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics CFD). Como ejemplo dejo el link del flujo de un fluido calculado por ordenador alrededor de un cilindro o dentro de una casa.

Más datos en:

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro
http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Michelson_y_Morley
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_cl%C3%A1sica
http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaciones_de_Navier-Stokes
http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbulencia
Briggs, J., Peat, F. D. "El espejo turbulento. Los enigmas del caos y del orden"
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_mariposa
http://www.youtube.com/watch?v=SpKsW1VhXs0
http://www.youtube.com/watch?v=fs3BSlirlMU&NR=1

Un saludo