Sobre la sonofusión por ultrasonidos
La sonofusión
20 de agosto de 2005
Supongo que sabes cómo vuela un avión. Si no es así, léelo en "¿Y si voláramos?", también conocido como "El Aspirisoplo". Se forma una depresión en la parte superior del ala, su "extradós".
Ala de avión
Por cierto, ¿cuál es el orden de magnitud de la depresión que existe en la superficie de esta ala? Tomemos un pequeño avión de turismo, monoplaza. Supongamos que su peso en carga sea de 300 kilogramos y su superficie alar de 18 metros cuadrados. Eso da una carga alar de 16 kilogramos por metro cuadrado, es decir, 1,6 gramos por centímetro cuadrado. Dado que la presión atmosférica al nivel del suelo es de mil gramos por centímetro cuadrado, esta diferencia media de presión entre el extradós y el intradós del ala es del orden de algunos milibares. Esto explica por qué se puede volar con aviones de tela y por qué no se recomienda poner el pie sobre el ala, fuera de las zonas destinadas a ello. De lo contrario, pasarías a través de ella.
¿Qué ocurre en el agua? Es mil veces más densa que el aire. A la misma velocidad, por tanto, se puede "volar en el agua" con "alas" mucho más pequeñas. A estas se les llama "foils".
Alas y foils
Si logramos sustentarnos sobre superficies tan reducidas es porque las variaciones de presión son mucho más intensas. Imaginemos que estos foils se desplazan muy cerca de la superficie líquida, es decir, en un medio donde la presión ambiente está cerca de un kilogramo por centímetro cuadrado. El barco de la derecha se sustenta gracias a diferencias de presión mucho más importantes que las que se miden alrededor del perfil de un ala de avión. Por eso los foils no están recubiertos con tela, sino que están hechos de acero fuerte y sólido.
¿Por qué, por cierto, una depresión en el extradós del ala? En el agua se entiende más fácilmente. La masa fluida choca contra el perfil en el punto de estancamiento y luego se acelera nuevamente. Al hacerlo, adquiere una velocidad adicional y también sufre los efectos de la fuerza centrífuga.
¿Qué ocurre cuando un líquido está sometido a una depresión? Podemos hacerlo con un cilindro y un émbolo. Si al tirar del émbolo reducimos la presión en el líquido a un valor inferior a la presión de vapor saturante a la temperatura considerada, se formarán burbujas (de pequeño tamaño). No tienen nada que ver con las burbujas del champán, que indican la presencia de gas disuelto en la bebida. Estas burbujas están llenas de vapor de agua. Este fenómeno se llama cavitación.
Fenómeno de cavitación
Aquí tienes una fotografía del fenómeno, provocado en un cilindro.
Burbujas de cavitación
En 1917, la Armada Británica convocó al físico William Strutt, también conocido como Lord Raleigh, para plantearle un problema extraño. Las hélices de bronce de los barcos de Su Majestad estaban todas dañadas, cubiertas de pequeños agujeros, aunque estaban casi nuevas. Los almirantes se preguntaban si el mar podría albergar parásitos capaces de atacar el metal de las hélices. A continuación, una foto más reciente que muestra los daños que puede causar el fenómeno de cavitación en las palas de una bomba centrífuga.
Daños causados por la cavitación en una bomba centrífuga. ¿Impresionante, no?
Aquí tienes una vista cercana, mostrando las "picaduras" observadas en el metal.
Daños causados por la cavitación en una pala de bronce.
Contrariamente a lo que inicialmente pensaron los almirantes británicos, no se trataba de avispas hidrobiológicas de especie desconocida. Lord Raleigh realizó algunos cálculos y les proporcionó la explicación. En las palas de sus hélices, las depresiones generadas eran lo suficientemente intensas como para que la presión cayera localmente por debajo de la presión de vapor saturante del agua. Esta entraba entonces localmente en ebullición. Un detalle: ¿cuál es, a temperatura ambiente, la presión de vapor saturante del agua?
Respuesta: unos pocos pascales, es decir, una centésima de milibar. Las depresiones que se crean alrededor de las palas, en hidráulica, son muy intensas. Es la razón por la que logramos impulsar un motor fuera borda con un objeto tan ridículamente pequeño como una hélice. Aquí tienes una pala de hélice en rotación. La flecha indica la presencia de burbujas de vapor de agua correspondientes al fenómeno de cavitación.
Cavitación cerca del borde de ataque de una pala de hélice en rotación.
Se distingue un hilo de burbujas de vapor de agua que nacen en el borde de la pala. Pero su origen es de otra naturaleza. Se debe al remolino marginal y se asemeja a las estelas de condensación que se forman en el extremo de las alas de los aviones. No hablaremos de ello aquí. Consideremos la evolución de la presión a lo largo del extradós de una pala de hélice:
Evolución de la presión a lo largo del extradós de una pala de hélice
La curva es solo esquemática. Se ve que a lo largo de la cuerda del perfil, la presión cae rápidamente. Cuando se vuelve inferior a la presión de vapor saturante del líquido, es decir, del agua, aparecen burbujas que crecen a medida que la presión sigue descendiendo. Aunque la parte posterior del perfil permanezca, respecto a la presión ambiente, en depresión, la presión finalmente aumenta y vuelve a ser superior a la presión de vapor saturante en el agua. Entonces el vapor de agua tiende a desaparecer, como se observa en la fotografía.
Todos saben que en mecánica de fluidos los fenómenos de expansión no ocurren de la misma manera que los fenómenos de recompresión (o compresión). Cuando la presión comienza a crecer, la pared de la burbuja se comporta como un pistón esférico que actúa sobre un gas, en competencia con el vapor de agua. Si la velocidad de implosión de la burbuja es mayor que la velocidad del sonido en la masa de vapor (y lo es), entonces nacerá una onda de choque esférica que convergerá hacia el centro geométrico del objeto, transportando una energía considerable, suficiente para crear esas "picaduras" en el metal de la pala y, en definitiva, causar daños tan importantes como los que vimos anteriormente en las palas de la bomba.
Explicación de los daños relacionados con el fenómeno de cavitación.
Se conocen los sistemas denominados "de carga hueca". En ellos, se dispara un explosivo sobre toda la superficie de una pared cónica (utilizando un producto detonante con una velocidad de propagación muy alta). La superficie del cono emite entonces una onda de choque muy intensa, cuya energía se enfoca a lo largo del eje del sistema. Se forma entonces un "dardo", capaz de perforar un blindaje de acero cuyo grosor es del orden del diámetro del cono (aunque el dardo crea un agujero de mucho menor diámetro). La implosión de la burbuja evoca, como me hizo notar Christophe Tardy, la focalización de la energía transportada por una onda de choque esférica. Si se diseñaran cargas huecas construidas alrededor de cavidades no cónicas sino esféricas, se podría concentrar en el centro de esta esfera, en el punto de focalización, una energía muy intensa. Esto es exactamente lo que ocurre con la cavitación.
Como ya dijimos, el fenómeno de cavitación fue descubierto en 1917. En 1930 se logró producir ultrasonidos con una intensidad suficiente. En 1934, en la Universidad de Colonia, se manifestó un nuevo fenómeno que desconcertó considerablemente a los físicos. Cuando se sometía un líquido a ultrasonidos, como el agua por ejemplo, este fluido emitía luz... Se dio a este fenómeno el nombre de sonoluminiscencia.
En ese momento...