Oobleck ha sido durante mucho tiempo mi ejemplo favorito de fluido no newtoniano, y no estoy solo. Es un experimento de «ciencia culinaria» muy popular porque es simple y fácil de hacer. Mezcle una parte de agua con dos partes de almidón de maíz, agregue una pizca de colorante alimentario para divertirse y obtendrá oobleck, que se comporta como líquido o sólido, dependiendo de cuánto estrés se aplique. Revuélvelo lenta y constantemente y quedará líquido. Golpéalo fuerte y se volverá más sólido bajo tu puño. Incluso puedes llenar piscinas pequeñas con este material y caminar sobre ellas, ya que el oobleck se endurecerá cada vez que bajes: una demostración de física llamativa que, naturalmente, aparece mucho en YouTube.
Los principios físicos subyacentes de esta sustancia simple tienen matices sorprendentes y son complejos, por lo que resultan fascinantes para los científicos. Ingenieros moleculares de la Universidad de Chicago han utilizado densas suspensiones de nanopartículas piezoeléctricas para medir lo que sucede a nivel molecular cuando el oobleck pasa del comportamiento líquido al sólido, según un nuevo artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.
Hacia el final de su vida, Isaac Newton expuso las propiedades de un «líquido ideal». Una de esas propiedades es la viscosidad, definida vagamente como cuánta fricción/resistencia hay para fluir en una sustancia determinada. La fricción surge porque un líquido que fluye es esencialmente una serie de capas que se deslizan unas sobre otras. Cuanto más rápido se desliza una capa sobre otra, mayor resistencia hay; cuanto más lento se desliza una capa sobre otra, menos resistencia hay. Pero el mundo no es un lugar ideal.
En el fluido ideal de Newton, la viscosidad depende en gran medida de la temperatura y la presión: el agua seguirá fluyendo independientemente de otras fuerzas que actúen sobre ella, como la agitación o la mezcla. En un fluido no newtoniano, la viscosidad cambia en respuesta a una deformación o fuerza cortante aplicada, superando así el límite entre el comportamiento líquido y sólido. Revolver una taza de agua produce una fuerza cortante y el agua se corta para apartarse. La viscosidad permanece sin cambios. Pero en el caso de fluidos no newtonianos como el oobleck, la viscosidad cambia cuando se aplica una fuerza cortante.
El ketchup, por ejemplo, es un fluido no newtoniano que se espesa, lo cual es una de las razones por las que golpear el fondo de la botella no hace que el ketchup salga más rápido; la aplicación de fuerza aumenta la viscosidad. Otros ejemplos son yogur, salsa gravy, barro, pudín y rellenos de tarta espesados. Y también lo es oobleck. (El nombre deriva de un libro infantil del Dr. Seuss de 1949, Bartolomé y el Oobleck.) Por el contrario, la pintura que no gotea exhibe un efecto de «dilución por cizallamiento», se aplica con brocha fácilmente pero se vuelve más viscosa una vez que está en la pared.
A. Baumgarten, K. Kamrin y J. Bales
En 2019, los investigadores del MIT desarrollaron un práctico modelo matemático para predecir cómo el oobleck pasa de líquido a sólido y viceversa en diferentes condiciones. Adaptaron su modelo de trabajo a la arena húmeda, un material granular. Hay algunas similitudes, pero las partículas de almidón de maíz en el oobleck tienen un tamaño de una centésima parte del de los granos de arena (entre 1 y 10 micrones). En esas escalas de tamaño pequeño, la física es marcadamente diferente. Por ejemplo, la temperatura tiene un mayor impacto en las partículas de almidón de maíz, al igual que las cargas eléctricas, que se acumulan entre las partículas para provocar un efecto de repulsión. Entonces, mientras que la arena húmeda tiene la misma viscosidad en cualquier densidad de empaque dada, independientemente de la tensión aplicada (por ejemplo, agitación o punzonado), la viscosidad de oobleck cambia dramáticamente.
El equipo del MIT agregó específicamente una «variable de aglutinación» a su modelo, que describe la cantidad de contacto por fricción entre las partículas de almidón de maíz en comparación con el contacto lubricado para predecir cómo esa nueva variable cambiaría en respuesta a diferentes tensiones. Luego, realizaron simulaciones por computadora de experimentos de laboratorio anteriores, que implicaban apretar y cortar oobleck entre dos placas y disparar un pequeño proyectil simulado a un tanque de oobleck, para probar las predicciones del modelo. Esas simulaciones coincidieron con los resultados experimentales de estudios anteriores.