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Física

El poder inesperado de la fricción

Brasileños y alemanes explican el movimiento imprevisto de un barril durante un experimento explosivo con pelotas de pimpón

Universidad de Plymouth En 2015, el químico Roy Lowry (izq.) reprodujo el cañón en la Universidad de PlymouthUniversidad de Plymouth

Hace algunos años circulan por internet unos videos sobre un experimento intrigante, que recién ahora reciben una explicación física apropiada. Una botella de plástico con un poco de nitrógeno líquido convierte un barril lleno de pelotitas de pimpón en un cañón deslumbrante. Siendo líquido a temperaturas inferiores a -196,15 grados centígrados, el nitrógeno se convierte rápidamente en gas a temperatura ambiente, sufriendo una expansión explosiva que hace volar miles de pelotitas. El experimento ya se hizo en programas de televisión y detuvo por instantes un edificio de la Universidad de Plymouth en el Reino Unido cuando el químico Roy Lowry lo llevó a cabo en 2015. Lo curioso es que, en el momento de la explosión, no solo vuelan las pelotitas. También el barril sale del suelo y, a veces, se eleva a 1 metro de altura, cuando lo esperable era que no se moviera o que, a lo sumo, rebotara.

El experimento, aparentemente sencillo, obtuvo una explicación por parte de investigadores brasileños y alemanes. En un artículo publicado en abril de este año, en el American Journal of Physics, el físico de Rio Grande do Sul, Jason Gallas, el pernambucano Eric Parteli y el ingeniero de Santa Catarina, Daniel Nasato, en asociación con los alemanes Thorsten Pöschel y Patric Müller, mostró que es el rozamiento entre las pelotitas y entre estas y el barril lo que hace con que vuele el barril.

Otras formas de explicar el fenómeno habían surgido en los foros de debate en Internet. Algunos sugerían que la explosión provocaba una deformidad en el fondo del cañón, presionando el piso, lo que a su vez lo empujaba hacia arriba. Otros propusieron que el conjunto de pelotitas, al ser expulsadas, formaría un vacío parcial que arrastraría el barril. Una tercera explicación era más compleja. Sugería que la botella de nitrógeno estaba flotando en el agua. La explosión arrojaba las pelotas hacia arriba mientras que presionaba al agua contra el fondo y las paredes del barril. Al retroceder, el agua tiraba el barril hacia arriba, haciéndolo saltar.

Las interpretaciones explicaban la subida del barril en ciertas condiciones, pero, según los investigadores, no eran esenciales para el fenómeno. El barril se despegaba del piso, inclusive siendo de metal y con el fondo rígido. El grupo tampoco veía ninguna razón para que la explosión creara vacío, ya que el aire desplazado se llena rápidamente con nitrógeno. Si el vacío era esencial, el barril iba a seguir saliéndose del piso inclusive sin las pelotitas, lo que no ocurría. La tercera explicación, para ser válida, requeriría que el tonel inicialmente estuviera lejos del suelo o que el suelo fuera de material elástico –en muchos experimentos, el barril estaba sobre un piso duro y sin agua–. “Buscábamos una explicación general”, dice Nasato, actualmente investigador en la Universidad Técnica de Múnich, Alemania.

El grupo empezó a pensar en el tema en 2011, cuando Gallas vio por primera vez el video. Estaba llegando a la Universidad de Erlangen-Nurembergue, Alemania, para un período como profesor visitante y llevó el asunto a una discusión informal de temas de física, el kaffee seminar. A Thorsten Pöschel, director del Instituto de Simulaciones en Multiescalas de la universidad, la cuestión le resultó interesante. Al igual que Gallas, él se especializa en el comportamiento de materiales granulares (granos de arena, alimentos y minerales) y sospechó que el barril saltaba debido a un efecto conocido por los especialistas: la obstrucción.

Como no era posible medir todas las fuerzas en acción durante el experimento, se dedicaron a simulaciones computacionales. Parteli, actualmente en la Universidad de Colonia, Alemania, hizo la primera, confirmando la sospecha inicial. Sin embargo, las simulaciones con los parámetros del experimento de Plymouth (el barril, cantidad de pelotitas, dimensiones y propiedades de las mismas), tuvieron que esperar hasta que Nasato llegara a Erlangen para una pasantía postdoctoral. Nasato obtuvo resultados realistas, que reproducían correctamente la altura a la que se elevó el barril.

Con la explosión, las pelotas cercanas a la botella son expulsadas a alta velocidad y se chocan con las de las capas superiores, que son empujadas hacia arriba y obstruyen el pasaje. El intercambio de fuerzas entre las pelotitas, resultante de la fricción, forma lo que los físicos llaman cadenas de energía y hace que, durante una fracción de segundo, se comporten como un objeto rígido y único, como un grande tapón, moviéndose a alta velocidad. La fricción entre esta tapa y la pared del cañón la arrastra a la parte superior hasta que las pelotitas superiores escapan y dejan pasar a las otras.

Pero todo esto no es suficiente para explicar que el barril también salga del piso. Esto ocurre porque la aceleración de las pelotitas hacia arriba y el intercambio de fuerzas entre éstas y la pared del barril se producen en diferentes momentos. Poco después de la explosión, la expansión del nitrógeno empuja tanto las pelotas hacia arriba como al fondo del tonel para abajo, lo que lo mantendría en el suelo. Sin embargo, después de que el gas se escapa y la fuerza ejercida por él cesa, las pelotas que forman la tapa continúan avanzando fuera de la inercia. Es en este punto que la fricción entre ellos y la pared del barril lo arrastra hacia arriba. Después de levantarse durante algún tiempo, la gravedad ralentiza el cañón, que vuelve al suelo.

Para Allbens Atman, físico del Centro Federal de Educación Tecnológica (Cefet) en Minas Gerais y estudioso de medios granulares, la explicación sorprende. En primer lugar, al demostrar que el sistema formado por barril, pelotas y botella de nitrógeno no está aislado del medio ambiente, como algunos podrían pensar. “La temperatura del ambiente circundante, mucho más alta que la del nitrógeno líquido, proporciona la energía que genera la explosión”, explica. “Esto deshace la aparente paradoja, que al principio nos lleva a preguntar de dónde viene la fuerza que levanta el cañón”. En segundo lugar, porque la fricción es necesaria y suficiente para arrastrar el barril. En las simulaciones, se eliminó la fricción entre las bolas o entre ellas y la pared del barril, y el tonel no salió del suelo.

“Comprender el papel de la fricción en la interacción de materiales granulares puede generar aplicaciones industriales”, dice Nasato. En el área farmacéutica, puede ayudar a diseñar mejores sistemas de transporte neumático (por tubos con flujo de aire) de materiales que no pueden ser contaminados, reduciéndose el riesgo de obstrucción y rotura del equipo. También puede ayudar a calcular la velocidad adecuada de alimentación de los altos hornos de refinerías de mineral y en la producción de polvos ultrafinos para la producción de nuevos materiales.

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