Por Joel Jiménez
Un fluido es una sustancia que esta compuesta por átomos y moléculas. Las complejas estructuras que forman los fluidos al fluir emanan del movimiento colectivo de sus elementos constituyentes. La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos), así como las fuerzas que lo provocan. Además, se encarga de investigar la interacción del flujo de fluidos con su entorno. La mecánica de fluidos esta basada en la hipótesis del medio continuo, en esta se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y discontinuidades. Basado en esta hipótesis se desarrolla un conjunto de ecuaciones matemáticas, que provienen de principios básicos como conservación de masa, momentum y energía. El modelo matemático que gobierna el movimiento de los fluidos son las llamadas ecuaciones de Navier-Stokes.
Estela detrás de una placa plana en un flujo de agua (ONERA)
La hipótesis del continuo resulta inválida en sistemas donde existen escalas de longitud muy pequeñas, por ejemplo en escalas de micrómetros ó nanómetros. Las áreas de estudio a estas escalas son llamadas mirofluidica (sistemas como canales y tubos de longitudes menores a un milímetro) y nanofluidica (sistemas con longitudes menores a un micrón); como referencia el espesor de un cabello humano es de 100 micrones. Actualmente se dedica un gran esfuerzo en la ciencia y tecnología hacia el diseño y desarrollo de dispositivos a estas escalas. En estas escalas la mayoría de las simulaciones de fluidos son hechas por computadora. Las computadoras proveen una capacidad muy extensa en cálculos numéricos.
El área dedicada al estudio de movimiento de átomos y moléculas es conocida comoDinámica Molecular (DM). En la DM los átomos y moléculas interactúan por ciertos periodos de tiempo, la modelación incluye el uso de las representaciones matemáticas de la física (por ejemplo, leyes de movimiento clásicas) dando lugar al movimiento de los átomos. Cuando se incluyen un gran número de átomos la(s) computadora(s) enfrentan grandes dificultades, sin embargo con el constante avance en la computación las simulaciones moleculares son cada vez más rápidas y complejas. Richards y Krauss [1], han mostrado la extraordinaria capacidad de la dinámica molecular en simular un flujo a gran escala, ellos utilizaron 9 mil millones de átomos (cobre y aluminio a una temperatura de 2000 K) en una geometría cuasi-bidimensional, en ella se estudio la llamada inestabilidad de Kevin-Helmholtz. La inestabilidad de Kevin-Helmholtz ocurre cuando existe una velocidad de corte entre la interfase de dos fluidos, esto resulta en una estructura compleja de vórtices que da lugar a fenómenos de mezcla. Cabe agregar que aun cuando la dinámica molecular es muy útil, el uso de recursos es prohibitivo en simular problemas a escala humana, además de hacer difícil el trazar las relaciones entre los diferentes parámetros del problema.
[1] Atoms in the Surf: Molecular Dynamics Simulation of the Kelvin-Helmholtz Instability using 9 Billion Atoms, http://arxiv.org/abs/0810.3037
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