Por Canuto  

Un experimento con artemias y varillas sugiere que la orientación de un cuerpo diminuto puede invertir la dirección en que la energía se desplaza entre escalas dentro de un flujo turbulento.
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  • En un sistema turbulento bidimensional, la orientación del nadador respecto al flujo puede determinar si la energía pasa de remolinos pequeños a grandes o en sentido contrario.
  • Los investigadores de la Universidad de Pittsburgh observaron un cambio alrededor de los 45 grados y luego probaron el efecto con varillas, además de artemias.
  • El resultado abre preguntas para el estudio de fluidos y posibles aplicaciones en mezcla de sustancias, control de contaminación y desarrollo de fármacos, aunque aún falta comprobar su alcance en sistemas más complejos.

Un cambio pequeño en la orientación de un nadador puede alterar el recorrido de la energía en un fluido turbulento. Esa es la conclusión de un trabajo experimental de investigadores de la Universidad de Pittsburgh, quienes estudiaron artemias, conocidas popularmente como sea monkeys, en un sistema bidimensional y encontraron que el ángulo de su cuerpo respecto al flujo podía invertir la transferencia entre escalas. El resultado cuestiona la idea de que las cascadas de energía siguen siempre una dirección fija dentro de cada tipo de turbulencia.

Una regla conocida, con una condición geométrica

La turbulencia aparece en fenómenos tan distintos como las corrientes de un río, las olas, el aire durante un vuelo y los remolinos que se forman al mezclar leche con café. Aunque sus movimientos parecen caóticos, los científicos estudian cómo la energía pasa de unas estructuras a otras, desde remolinos de gran tamaño hasta otros más pequeños, o en sentido inverso. Esa transferencia entre escalas ayuda a explicar cómo se desarrolla y se disipa el movimiento de un fluido.

En la descripción clásica de la turbulencia tridimensional, un remolino grande alimenta remolinos cada vez menores, hasta que la viscosidad frena el movimiento y disipa energía en forma de calor. Lewis Fry Richardson expresó esa idea en un poema de 1922: los remolinos grandes contienen otros pequeños que se alimentan de su velocidad, en una sucesión que termina en la viscosidad. Décadas después, Andrey Kolmogorov dio una base matemática rigurosa al estudio de ese comportamiento.

La turbulencia bidimensional presenta una diferencia importante. Los trabajos de Robert Kraichnan y George Batchelor, a finales de los años sesenta, ayudaron a establecer que en esos sistemas la energía puede desplazarse desde estructuras pequeñas hacia otras mayores, una transferencia conocida como cascada inversa. La Gran Mancha Roja de Júpiter suele servir como ejemplo de un vórtice enorme alimentado por movimientos más pequeños, aunque la dinámica de un laboratorio poco profundo no reproduce toda la complejidad de un planeta.

El estudio descrito por Quanta Magazine añade una condición a ese panorama: la dirección de la cascada no dependería solo de si el sistema es bidimensional o tridimensional, sino también de cómo una perturbación se orienta dentro del flujo. Lei Fang, ingeniero de la Universidad de Pittsburgh que dirigió el trabajo, resumió la idea con una frase sencilla: «La geometría importa». El hallazgo no elimina las distinciones entre dimensiones, pero plantea que una intervención pequeña puede modificar la transferencia de energía en un sistema 2D.

Artemias en un flujo de laboratorio

El proyecto surgió del interés del laboratorio de Fang por la materia activa, una categoría que abarca organismos y dispositivos capaces de moverse por sí mismos e inyectar energía en el entorno. Xinyu Si, entonces estudiante de ese laboratorio, investigaba cómo los nadadores biológicos mezclan materiales en fluidos y si la actividad de criaturas diminutas puede influir en procesos turbulentos de mayor escala. Las artemias ofrecían un organismo fácil de observar, con un cuerpo de alrededor de un centímetro.

Para construir el modelo experimental, Si extendió una película poco profunda de agua salada sobre una superficie de vidrio dentro de un tanque y colocó imanes debajo. Al hacer pasar corriente eléctrica por el fluido conductor, la interacción con los imanes generó movimiento: el agua corría en una dirección a un lado de un canal y en la opuesta al otro. Así se formaba un gradiente de velocidades en el centro, donde los investigadores podían observar cómo una artemia perturbaba el flujo.

Al analizar la interacción entre el cuerpo del animal y el agua en movimiento, Si y Fang detectaron que las artemias no solo añadían perturbaciones al sistema. La orientación del nadador parecía modificar el sentido en que la energía pasaba de una escala a otra. Para examinarlo, repitieron el experimento y observaron cómo se movía cada ejemplar en relación con la dirección de máximo estiramiento del flujo, una característica vinculada a la forma en que las corrientes deforman y organizan el fluido.

Los investigadores hallaron que, cuando la artemia nadaba a menos de 45 grados respecto a esa dirección, la energía se transfería de escalas pequeñas a grandes, como se espera de la cascada inversa de un sistema bidimensional. Cuando el ángulo superaba los 45 grados, la transferencia cambiaba: la energía iba de las estructuras mayores hacia perturbaciones más pequeñas. En el artículo de Quanta, Fang describió la primera observación como algo «muy, muy extraño», precisamente porque el animal parecía alterar una propiedad central del sistema.

Los tensores ayudan a explicar el cambio

Para interpretar el efecto, Fang y Si recurrieron a la geometría tensorial, una herramienta matemática utilizada para describir magnitudes que pueden cambiar en más de una dirección. Un tensor puede representar, por ejemplo, cómo una fuerza aplicada a una esponja modifica su forma en distintos ejes. En la dinámica de fluidos, este enfoque permite expresar cómo interactúan la dirección y la intensidad de las deformaciones que aparecen en un flujo turbulento.

En la explicación de los investigadores, un tensor representa cómo la cizalladura a gran escala del agua influye en el flujo de energía, mientras que otro recoge el efecto de los movimientos a pequeña escala de los nadadores. La orientación del cuerpo de la artemia determina la alineación entre esas dos descripciones matemáticas. Al cambiar esa alineación, cambia también el resultado de la interacción y, con ello, la dirección en que se transfiere la energía.

El equipo comunicó en 2024 que el ángulo entre el cuerpo de la artemia y las fuerzas del fluido podía cambiar el flujo energético. El trabajo de Si y Fang, titulado “Biologically generated turbulent energy cascade in shear flow depends on tensor geometry”, figura en las publicaciones del grupo como un artículo de PNAS Nexus de 2024. Después sustituyó a los organismos por varillas de un centímetro, cuya orientación resultaba más sencilla de medir y controlar. Si y Fang encontraron que podían dirigir la transferencia hacia escalas mayores o menores al modificar el ángulo de las varillas, un paso que ayudó a separar el efecto geométrico de las variaciones propias del comportamiento de un animal vivo.

Los científicos también contrastaron los resultados con Filippo De Lillo y Guido Boffetta, de la Universidad de Turín, quienes realizaron simulaciones numéricas y observaron el mismo efecto. Fang dijo que esa verificación le dio más confianza, porque manipular el flujo de energía era una conclusión inusual. El grupo presentó los hallazgos de control mediante intervenciones pequeñas en 2025, y Francesca De Serio, experta en hidrodinámica de la Universidad Politécnica de Bari, consideró interesante que cambios específicos pudieran producir transferencias entre escalas.

Aplicaciones posibles y límites por comprobar

El resultado sugiere que los físicos podrían aprovechar ideas de la turbulencia bidimensional para estudiar comportamientos parecidos a los de sistemas tridimensionales, aunque no idénticos. Por ahora, el montaje de Si y Fang utiliza una capa poco profunda de fluido y una fricción que dificulta iniciar la turbulencia. Además, hay una diferencia considerable entre ese sistema 2D débilmente turbulento y los flujos tridimensionales intensos que aparecen con frecuencia en la naturaleza.

Por esa razón, los autores no presentan el experimento como prueba de que la orientación de organismos pueda controlar cualquier turbulencia real. Si y Fang investigan si el principio puede extenderse a escenarios más complejos y prueban ideas en tornados de mesa. Xinyu Si, quien ahora trabaja como posdoctorado en la Universidad de Rochester, señaló que la hipótesis puede ponerse a prueba en distintos entornos donde la turbulencia tenga un papel, desde un recipiente pequeño hasta la atmósfera terrestre.

Una línea de investigación del equipo apunta a la llamada barrera de transporte, el umbral que separa dos fluidos mientras se mezclan. Según la teoría de Fang, perturbar esa frontera podría requerir menos del 1% de la energía necesaria para mantenerla intacta. Si esa estimación se confirma en otros sistemas, el método podría interesar en tareas como controlar la contaminación o mezclar fluidos durante el desarrollo de fármacos, aunque la fuente no presenta esas posibilidades como aplicaciones ya desplegadas.

Otros grupos también exploran la manipulación de flujos energéticos. En marzo de 2026, De Serio informó sobre experimentos con un gran vórtice rotatorio en tanques de fluidos de alta viscosidad, al que dirigió pequeños chorros horizontales hacia el centro. Observó regiones de flujo inverso que al comienzo aparecían de forma intermitente y se estabilizaban al aumentar la rotación, un resultado que, según la investigadora, podría orientar estrategias de control en situaciones reales.

En conjunto, los experimentos desplazan la atención desde las dimensiones del sistema hacia la geometría de las fuerzas y las perturbaciones que lo atraviesan. Una artemia no convierte por sí sola un flujo de laboratorio en una solución para problemas ambientales o industriales, pero ayuda a formular una hipótesis cuantificable: la orientación puede intervenir en el intercambio de energía entre escalas. La siguiente prueba será determinar hasta dónde se conserva ese efecto cuando aumentan la intensidad, el tamaño y la complejidad de la turbulencia.


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