Mezclar líquidos es fácil, o al menos científicamente entendido: una gota de colorante alimentario eventualmente se mezclará en una taza de agua por difusión, y una cucharada de crema se puede mezclar en café con una cuchara a través de lo que se conoce como mezcla turbulenta.
¿Pero qué sucede si el material tiene las propiedades de los líquidos y los sólidos, como es el caso de materiales como el concreto, la pintura y la arena? Llamados materiales de límite elástico, estas mezclas pueden fluir como líquidos y permanecer quietos como sólidos.
Comprender cómo se mezclan estos materiales tiene implicaciones en industrias como la farmacéutica y la fabricación de concreto, pero aún se sabe poco sobre cómo mezclarlos mejor.
En un nuevo documento en Comunicaciones de la naturaleza , los profesores de Northwestern Engineering encuentran que mezclar materiales de tensión de fluencia crea regiones mixtas y no mixtas, proporcionando un comienzo fundamental para comprender cómo diseñar mejor los protocolos de mezcla. Julio M. Ottino, Paul Umbanhowar y Richard Lueptow fueron los co-autores.
"Los fundamentos teóricos del flujo de materia granular todavía están muy incompletos", dijo Ottino, profesor de Ingeniería Química y Biológica Walter P. Murphy. "Encontramos una notable persistencia de orden en medio del caos".
En cuestión era qué tan bien se podía mezclar el material granular en un sistema básico: un vaso esférico. ¿Se mezclaría el material como un sólido, a través de un método de "cortar y barajar" similar a una baraja de cartas? O se mezclaríacomo un líquido viscoso, como la miel, a través de un patrón de "estiramiento y plegado"
Para probar esta idea, los investigadores llenaron hasta la mitad un vaso esférico con perlas de vidrio de 2 milímetros de tamaño. Al girar, la capa superior de perlas fluyó como un fluido hacia el fondo de la esfera, mientras que las otras perlas permanecieron en su lugarcomo un sólido
Pero los investigadores mezclaron las cuentas girando el vaso a lo largo de diferentes ejes. Para rastrear qué tan bien se mezclaron las cuentas, colocaron una partícula trazadora de 4 mm en el interior y luego corrieron las rotaciones una y otra vez, a veces hasta 500 veces, y tomaron X-imágenes de rayos de la esfera para ver dónde terminó la partícula trazadora.
A pesar de probar varios protocolos de rotación diferentes, los investigadores descubrieron que inevitablemente había regiones que se mezclaban y regiones que no se mezclaban. Esto fue el resultado de la interacción entre los dos métodos de mezcla, cortar y barajar y estirar y plegar.
"Aunque el material a menudo se mueve en cuñas de esta manera de cortar y barajar, todas esas cuñas se mueven juntas", dijo Umbanhowar, profesor de investigación de ingeniería mecánica. "Hay regiones que nunca se mezclan".
Comprender este concepto puede conducir a ideas en lugares interesantes e inesperados, como la Lotería de Navidad española, donde 100,000 pequeñas bolas de madera con números de boletos únicos se tiran en una esfera, mientras que 1,807 bolas etiquetadas con premios se tiran en otra.el sorteo, una bola de premio y un número de boleto correspondiente se extraen de cada esfera hasta que la esfera de la bola de premio esté vacía, pero si el vaso incluye regiones que se mezclan y regiones que no lo son, la colocación inicial de la bola en el vaso se convierte en un factor descomunalen si será elegido.
"Existe una expectativa de aleatoriedad, pero nuestros resultados muestran que este no es el caso", dijo Ottino.
Los investigadores esperan realizar estudios futuros para mostrar cómo se puede aplicar esta información en diferentes materiales.
"Esto nos da una herramienta completamente nueva para entender qué se mezcla y qué no se mezcla", dijo Umbanhowar. "Estos resultados se pueden utilizar en última instancia como una herramienta de diseño".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Emily Ayshford. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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