Matemáticos irlandeses resuelven el problema de la burbuja que se hunde Guinness

Uno de los enigmas más intrigantes de la dinámica de fluidos es el desconcertante comportamiento de las burbujas en Guinness, la famosa cerveza negra irlandesa.

Como muchos bebedores atestiguarán, las burbujas en Guinness parecen hundirse a medida que la bebida se asienta y se forma la cabeza. ¿Cómo puede ser esto, dado que las burbujas son menos densas que el fluido circundante y, por lo tanto, deberían elevarse?

Durante los últimos diez años, los físicos han comenzado a analizar este problema. Más recientemente, han demostrado que no son las burbujas las que se hunden, sino el líquido, que circula hacia abajo cerca de las paredes de vidrio y hacia arriba en el interior. Siempre que el flujo descendente del líquido sea más rápido que el movimiento ascendente de las burbujas, parecerá que se hunden.

Pero eso todavía deja un rompecabezas: ¿por qué el líquido circula de esta manera?

Hoy, un dedicado equipo de matemáticos irlandeses revela la respuesta. Eugene Benilov, Cathal Cummins y William Lee de la Universidad de Limerick dicen que la pieza final de este rompecabezas es la forma del vidrio, que tiene una influencia crucial sobre los patrones circulatorios del líquido.

Para entender cómo, primero recuerde que el movimiento de cada burbuja ejerce un arrastre sobre el líquido que la rodea. Ahora imagine lo que sucedería si hubiera una región de líquido que contenga menos burbujas cerca de la pared de un vaso de una pinta y, en consecuencia, una región de mayor densidad de burbujas cerca de la mitad del vaso.

Benilov y sus colegas dicen que el arrastre será mayor en la región donde la densidad de la burbuja es mayor, en otras palabras, cerca del centro del vidrio. Esto crea un desequilibrio que establece un patrón de circulación en el que el líquido fluye hacia arriba en el centro del vaso y hacia abajo cerca de las paredes.

Eso es exactamente lo que se observa en una pinta de Guinness. Pero, ¿qué causa la región de baja densidad de burbujas cerca de las paredes de vidrio en primer lugar?

Benilov y compañía imaginan que, al principio, las burbujas se distribuyen uniformemente por todo el líquido. En un cilindro perfecto, simplemente se levantarían juntos. Las burbujas en cada volumen de líquido se reponen constantemente desde abajo.

Pero imagine un recipiente que sea más estrecho en la parte inferior y más ancho en la parte superior, de modo que las paredes se eleven en ángulo, como en un vaso de pinta. En este caso, el simple hecho de que las burbujas se eleven crea una región de baja densidad de burbujas junto a la pared en ángulo porque las burbujas no se reponen de manera constante debajo.

Por el contrario, la densidad de las burbujas es mayor en el medio del vaso porque las burbujas se reponen desde abajo.

Eso establecería exactamente el patrón de circulación que se observa, dicen Benilov y compañía.

Este efecto es bien conocido en la teoría de la sedimentación como efecto de boicot. Se observó por primera vez en tubos de ensayo que contenían glóbulos rojos cuando se descubrió que los tiempos de sedimentación podían reducirse significativamente inclinando los tubos de ensayo, dicen Benilov et al.

Estos chicos incluso han creado un modelo informático del comportamiento de las burbujas en Guinness que confirma su pensamiento.

La guinda del pastel, sin embargo, es que hay un experimento simple que puede confirmar fácilmente la teoría.

Los experimentos no suelen ser dominio de los matemáticos. Pero Benlivo y sus colegas demuestran valor más allá del llamado del deber matemático al realizar el experimento en el que valientemente vierten Guinness en un cilindro. Si el contenedor está inclinado, se observará que las burbujas se mueven hacia arriba cerca de su superficie superior y hacia abajo cerca de su superficie inferior, dicen.

Incluso han creado un video de este experimento que puedes descargar aquí (avi) .

Por supuesto, la esencia de la ciencia experimental es la repetibilidad. Muchos lectores no se contentarán con la mera evidencia visual de un video, sino que insistirán en repetir este experimento en sus propios términos, tal vez en una hostería de su elección. Muy bien.

Pero si eliges esta ruta, recuerda que este trabajo no es del todo caprichoso. Comprender estos tipos de fl ujos burbujeantes es importante para una serie de aplicaciones, como la fabricación de copas de champán grabadas con sitios de nucleación y dispositivos y tecnologías similares para promover la formación de espuma en las stout, dicen Benilov y compañía.

Los bebedores (y meseros) de Guinness también serán conscientes de otro problema que los aqueja: el tiempo que tarda una pinta de Guinness en asentarse, que es significativamente más largo que con la mayoría de las cervezas y lager.

¿Podría este trabajo permitir que los vasos de pinta se rediseñen de una manera que anime a las stout a asentarse más rápidamente?

Seguiremos de cerca los desarrollos futuros.

Ref: arxiv.org/abs/1205.5233 : ¿Por qué se hunden las burbujas en Guinness?

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