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A veces, la ciencia surge en la barra de un bar. Los científicos de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) observaron cómo se derramaba la espuma de una cerveza después de que alguien hiciera la broma de golpear el cuello de una botella con la base de otra. Cada uno de los que estaban allí comenzaron a lanzar hipótesis y teorías acerca de la causa del fenómeno, pero no les convenció ninguna y decidieron llevarlo al laboratorio para investigarlo mediante experimentos controlados y en condiciones bien definidas. De esta forma, pudieron desvelar el fenómeno físico que explica la rápida transformación de estado líquido a espumoso de la cerveza tras un impacto. Esta investigación no solo responde a una curiosidad, sino que encuentra aplicaciones en ingeniería naval o en estudios relativos a la predicción de gases en erupciones volcánicas.
El estudio, realizado en colaboración con el Instituto Jean le Rond D’Alembert (una unidad de investigación mixta del CNRS y la Universidad Pierre et Marie Curie, en Francia), detalla lo que ocurre después de que la botella reciba el golpe. Se trata de un proceso con tres fases bien definidas. En primer lugar, aparecen ondas de expansión y compresión que avanzan por dentro del líquido y producen la rotura de las cavidades de gas (las burbujas) en el fondo de la botella. Después, se forman pequeñas bolitas de espuma porque las burbujas se rompen en otras aún más pequeñas. Y por último (dado que pesan menos que el líquido que las rodea), esas burbujas suben tan rápidamente que el resultado final se asemeja a una explosión. “De hecho, esas nubes de espuma se parecen mucho al hongo que causa una detonación nuclear”, comenta Javier Rodríguez, profesor del departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la UC3M. En un segundo, casi toda la cerveza sale disparada.
La espuma aparece porque en las bebidas gaseosas se pone más dióxido de carbono (CO2) de lo que el agua (componente principal) es capaz de mantener en disolución. “Habitualmente el CO2 escapa muy despacio. Pero esa cadena de fenómenos provocados por el golpe en la botella multiplican la pérdida de gas por un factor tremendamente alto: una botella puede perder en segundos el gas que le costaría horas perder si simplemente la dejáramos abierta sobre la mesa”, explica Javier Rodríguez.
Para demostrar la validez de su teoría, cuya primera versión ya han publicado en Arvix, los investigadores idearon un sistema para estudiar a cámara lenta el fenómeno. En primer lugar, apuntaron con un láser pulsado de alta energía hacia la base de la botella para provocar la aparición de una burbuja. A continuación, dieron un golpe en el cuello y grabaron todo con una cámara de alta velocidad que les permite obtener más de 50.000 fotogramas por segundo. Gracias a ello han sido capaces de describir al detalle el proceso que está detrás de esta reacción en cadena: la cavitación. Se trata de un efecto hidrodinámico similar a la ebullición (en lo que se refiere a la formación de burbujas), pero que aparece cuando desciende la presión en un líquido.
Erupción de un volcán
Lejos de ser una curiosidad, esta investigación puede tener aplicaciones muy serias. “Una de las aplicaciones de este proyecto es la predicción de la cantidad de gases que se producen tras la erupción de un volcán”, indica otro de los investigadores, Daniel Fuster, del Instituto D’Alembert. De hecho, en 1986, el lago camerunés de Nyos, que descansa sobre un volcán, liberó entre 100.000 y 300.000 toneladas de CO2 de forma explosiva. El gas se expandió a 100 km/h de velocidad, expulsando el oxígeno de un área de 25 kilómetros a la redonda y causando la muerte de 1.700 personas y miles de animales por asfixia.
Comprender mejor el fenómeno de la cavitación puede ayudar a mejorar el diseño de las hélices de los barcos (que están muy expuestas a la erosión provocada por las burbujas), a optimizar la protección de las estructuras frente a explosiones o determinadas ondas de choque, o favorecer las reacciones químicas por medio de la implosión de burbujas, señalan los investigadores. “Esa es una de las grandes ventajas de la investigación básica –concluye Rodríguez. Aprendes física a bajo coste en el laboratorio, con sistemas tan sencillos como una botella de cerveza, y esto luego te ayuda a entender e intentar solucionar otros grandes problemas”.
Estos resultados han sido presentados en la última conferencia anual sobre mecánica de fluidos de la Sociedad de Física Americana, la más prestigiosa del mundo.
