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Silvana TapiaLuisa AchaerandioJuan Carlos GilIgnacio CrespoBorja TosarFrancis VillatoroHéctor SocasGastón GiribetAlberto Aparicialuminio superhidrofóbico flotabilidad robustaestructura flotante superhidrofóbica impactoavanzado materiales artículo gilrugosificación química con cloruro cobrerecubrimiento hidrofóbico con ácido estiáricosuperhidrofobicidad en aluminio para estructuras flotantesreducción energía superficial con pdms siliconarecubrimiento superhidrofóbico interior tubosmembrana tensa efecto hidrofobicidadtensión superficial evita entrada aguadiámetro interno tubo artículoaltura máxima menisco aguamenisco curva tapa tubodiámetro excesivo tubos superhidrofóbicosmenisco de agua tapona el tubointerfaz colapsa agua invade tubopérdida de flotabilidad advanced functional materialsdiámetro interno de 5 milímetrosflotabilidad submarina con tubos de aluminiocapacidad hidrofóbica del aire atrapadofuga de aire en tubos inclinadospresión hidrostática en estemosmenisco colapsa por desbalance hidrostáticopresión laplace y curvatura meniscoecuación de john laplacesimulaciones cfd de fluidosflotabilidad de tubitos de 5 milímetrospared interna en tubos superhidrofóbicosdesacoplamiento hidrostático de extremospérdida de aire a 10 gradosburbujas comprimidas por impactoLaplaceJuan Carlos GilAdvanced Functional MaterialsJohn LaplaceCFDfigura 1Héctor Socascloruro de cobre 2PDMSAluminioChunlei WuUniversidad de RochesterEstados Unidos5 milímetros
Fuga de aire en tubos inclinados
Con
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Juan Carlos Gil explica que el desafío principal no era lograr la flotación en sí misma, sino evitar la fuga de aire cuando los tubos se inclinan debido a las diferencias de presión hidrostática.
…autor y colaboradores, un grupo de la Universidad de Rochester, en el estado de Nueva York, liderado por Chunlei Wu, que lleva mogollón de años trabajando en estas lides de superficies superhidrofóbicas y materiales, digamos, bio-inspirados. La pregunta. que querían responder los autores sería, ¿cómo evitar que el aire atrapado escape cuando una estructura flotante superhidrofóbica se inclina o recibe un impacto? y siguen, van a explorar de nuevo el mismo material que usaron en 2019, que es aluminio superhidrofóbico, que dominan muy bien porque el grupo está empeñado en conseguir flotabilidad robusta, pues eso, usando algo fácil de conseguir y muy habitual como el aluminio, pero que claro, no parece a priori muy prometedor un metal para flotar. Y lo que cambian respecto de su trabajo anterior es la geometría. Para resolver el problema de la pérdida de aire pasan de placas a tubos. Por cierto, no he contado cómo va lo de la superhidrofobicidad en el aluminio. Primero lo que hacen es rugosificar las superficies químicamente, tratándolas con cloruro de cobre 2, lo que se llama grabado químico, o sea, corroen el aluminio de forma controlada para generar estructuras microscópicas y luego, aprovechando esta rugosidad, lo recubren con eso, con moléculas hidrofóbicas, Héctor, que puede ser parecido a lo que se usa en los lavaparabrisas. Ellos utilizan ácido estiárico o PDMS, que es un tipo de silicona, con el objetivo de reducir la energía superficial, de tal forma que el agua prefiera quedarse rodeada de aguas en vez de absorberse sobre la superficie, en vez de mojar, en este caso, los tubos y aplican este. recubrimiento superhidrofóbico tanto al exterior como al interior de los tubos. ¿Qué raro, no? Y al interior, ¿por qué? La primera pregunta que se me ocurrió. Bueno, porque es en el interior del tubo donde ocurre la física chula. Por efecto de la hidrofobicidad, el agua se comporta en la boca del tubo como una suerte de membrana tensa. Mientras el tubo sea lo suficientemente estrecho, la tensión superficial podrá sostener esta membrana y evitar que el agua entre al tubo. La figura más relevante para ver esto del artículo es la 1, que muestra estos tubos sobre la superficie del agua y, en particular, el panel B, que ilustra los dos parámetros claves. Son dos parámetros claves: el parámetro fundamental es la relación entre ellos, ¿vale?: el diámetro interno del tubo de max en el artículo y la altura máxima del menisco, H max. Si esta altura máxima del menisco del agua es mayor que el diámetro del tubo, el menisco puede curvarse lo suficiente como para alcanzar la parte superior del tubo, taponarlo completamente, sellarlo y deja así el aire atrapado en el interior. Pero si el tubo, claro, es demasiado ancho, pues el menisco este de agua ya no consigue taponar todo el tubo; la interfaz colapsa, el agua invade el tubo, el aire escapa y la flotabilidad obviamente se pierde. Así que el mecanismo que os estoy tratando de contar es que el tubo flota porque el agua forma una especie de cuente curvo estable en la boca ligeramente dentro del tubo que tendría que curvarse demasiado para conseguir entrar y si los parámetros son los adecuados, pues no lo consigue. Como el líquido del que estamos hablando, agua, la gravedad es la que es y el tratamiento hidrofóbico son los dos que os he contado; los autores encuentran que hay un punto dulce en cuanto a diámetro interior, ese va a ser al final el parámetro clave de los tubos, que es 5 milímetros: más grandes y el agua entra; más pequeños y el tubo pesaría demasiado para el aire que atrapan, que al fin y al cabo es lo que proporciona la capacidad hidrofóbica. ¿Vale? Bueno, pues con esos 5 milímetros, y estoy hablando de tubos de aluminio, hay suficiente flotabilidad submarina cuando el tubo está completamente sumergido para que los tubos vuelvan a la superficie. Por eso el nombre del artículo habla de recuperables; aunque tú lo hundas, el tubo de aluminio emerge. Vale, pero recordar que el desafío no era tanto hacer flotar a estas cositas sino impedir que el aire escapase cuando se inclinan. Obviamente, cuando el tubo está en horizontal la presión a ambos lados del tubo pues es la misma. Pero cuando se inclina uno de los estemos queda más profundo que el otro y por tanto aparece una diferencia de presión hidrostática que empuja el aire hacia arriba. La única cosa que puede evitar que el aire acabe saliendo es la presión de Laplace asociada a la curvatura del menisco que os he descrito antes de la interfaz aire-agua. Así que si el empuje hidrostático, el desbalance hidrostático gana a Laplace, ocurre lo de antes, el menisco colapsa, el aire sale literalmente desplazado por el extremo superior y a pique que nos vamos. Los autores usan la ecuación de John Laplace, simulaciones numéricas de fluidos CFD y hacen un montón de experimentos de flotabilidad y muestran que un tubito normal como de los que estamos hablando, de estos 5 milímetros. Pierde aproximadamente la mitad del aire atrapado cuando se inclina solo 10 grados; 10 grados de inclinación, que vamos, que nada es un día tranquilo en el océano. Llamamos a eso, vale, así que se ponen a tope para encontrar la solución: hacen más teoría, más simulaciones, más experimentos y tras arduas y sesudas deliberaciones se les ocurre una idea de una complejidad técnica apabullante que consiste en poner una pared en el interior del tubo; ese sellado interno desacopla hidrostáticamente los dos extremos del tubo de tal forma que ahora el aire ya no puede desplazarse de un lugar a otro. Cuando llega una ola o un impacto, pues las burbujas, ahora tenemos dos, una en cada lado, pues simplemente se comprimen un poquito, intentan irse hacia el lado de arriba y se encuentran con una pared; bueno, pues luego cuando se equilibra el tubo, pues se expande otra vez y Tampichis se quedan. Es una solución tremendamente simple y tremendamente efectiva, que me resonó con un problema del que fui testigo durante el diseño de la primera misión espacial en la que participé: el telescopio infrarrojo ISO. Que soy como el abuelo Cebolleta, creo que ya…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil explica cómo los globos aerostáticos funcionan de manera similar a los barcos para flotar, necesitando un gas menos denso que el aire.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #13globos aerostáticos flotan como barcoshidrógeno para globos aerostáticoshelio desplaza aire en globosglobo aerostático con vacíopresión atmosférica dificulta globosrefuerzo estructural pesa demasiado…así que el truco ya no está en este caso en el material, sino en la geometría se trata de encerrar volúmenes de en este caso aire dentro del casco del barco para que la densidad del conjunto acero más aire pues sea menor que la del agua y en el caso de los Globos pasa lo mismo; tenemos que llenar el globo de algo menos denso del fluido que queremos desplazar, que en este caso es aire con lo cual las opciones son muy limitadas: básicamente hidrógeno, helio o aire mismo pero caliente, que se hace menos denso y nos permite flotar, nos permite conseguir flotar en el aire. Se podría usar y se ha pensado muchas veces utilizar vacío, vacío parcial al menos, pero hacer un globo de vacío sin nada dentro. Pero claro, la propia atmósfera no perdona: intentaría aplastarnos y el refuerzo estructural que habría que poner al globo de vacío pues acaba pesando demasiado y no salen las cuentas. Barcos, bueno barcos sabemos hacer obviamente desde hace muchísimo tiempo y los usamos para mover personas, cargas de un sitio a otro, pero son en general estructuras bastante complejas y que requieren un mantenimiento continuo; en una palabra son estructuras…
Juan Carlos Gil describe un sistema innovador propuesto por autores de un paper en 2019 para crear flotabilidad mediante placas de aluminio con tratamiento superhidrofóbico.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #9 · Palabras #10placas aluminio tratamiento superhidrofóbicoflotabilidad notable sistema 2019inclinación escape aire placasimpactos pérdida flotabilidad estructura…se sumergen del todo o cuando se inclinan demasiado, vale. De hecho, los autores del paper que os voy a contar ya propusieron una de estas estructuras en el año 2019, bastante ingeniosa: dos placas de aluminio en paralelo con un tratamiento super hidrofóbico. capaces de atrapar aire entre ellas que generaban eso, una flotabilidad notable. Este sistema que propusieron en 2019 funcionaba bastante bien, pero manifestaba, no tanto, pero de nuevo el problema de la inclinación. Si lo inclinas mucho o recibe impactos, el aire atrapado entre las placas podía escapar por los extremos y enseguida la estructura perdía gran parte de su flotabilidad. Y claro, el océano tiene la mala costumbre de no permanecer completamente horizontal, que en ingeniería lo que se busca es que sirva para algo. Es en este contexto en El que aparece el artículo titulado Tubos metálicos superhidrofóbicos flotantes irrecuperables gracias a su geometría. Publicado en Advanced Functional Materials, está online desde enero y aparece en la revista desde el 27 de abril. Lo firma Tian Xu Xu, el…
Juan Carlos Gil explica que el desafío principal no era lograr la flotación en sí misma, sino evitar la fuga de aire cuando los tubos se inclinan debido a las diferencias de presión hidrostática.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #1aluminio superhidrofóbico flotabilidad robustaestructura flotante superhidrofóbica impactoavanzado materiales artículo gilrugosificación química con cloruro cobrerecubrimiento hidrofóbico con ácido estiáricosuperhidrofobicidad en aluminio para estructuras flotantesreducción energía superficial con pdms siliconarecubrimiento superhidrofóbico interior tubosmembrana tensa efecto hidrofobicidadtensión superficial evita entrada aguadiámetro interno tubo artículoaltura máxima menisco aguamenisco curva tapa tubodiámetro excesivo tubos superhidrofóbicosmenisco de agua tapona el tubointerfaz colapsa agua invade tubopérdida de flotabilidad advanced functional materialsdiámetro interno de 5 milímetrosflotabilidad submarina con tubos de aluminiocapacidad hidrofóbica del aire atrapadofuga de aire en tubos inclinadospresión hidrostática en estemosmenisco colapsa por desbalance hidrostáticopresión laplace y curvatura meniscoecuación de john laplacesimulaciones cfd de fluidosflotabilidad de tubitos de 5 milímetrospared interna en tubos superhidrofóbicosdesacoplamiento hidrostático de extremospérdida de aire a 10 gradosburbujas comprimidas por impacto…autor y colaboradores, un grupo de la Universidad de Rochester, en el estado de Nueva York, liderado por Chunlei Wu, que lleva mogollón de años trabajando en estas lides de superficies superhidrofóbicas y materiales, digamos, bio-inspirados. La pregunta. que querían responder los autores sería, ¿cómo evitar que el aire atrapado escape cuando una estructura flotante superhidrofóbica se inclina o recibe un impacto? y siguen, van a explorar de nuevo el mismo material que usaron en 2019, que es aluminio superhidrofóbico, que dominan muy bien porque el grupo está empeñado en conseguir flotabilidad robusta, pues eso, usando algo fácil de conseguir y muy habitual como el aluminio, pero que claro, no parece a priori muy prometedor un metal para flotar. Y lo que cambian respecto de su trabajo anterior es la geometría. Para resolver el problema de la pérdida de aire pasan de placas a tubos. Por cierto, no he contado cómo va lo de la superhidrofobicidad en el aluminio. Primero lo que hacen es rugosificar las superficies químicamente, tratándolas con cloruro de cobre 2, lo que se llama grabado químico, o sea, corroen el aluminio de forma controlada para generar estructuras microscópicas y luego, aprovechando esta rugosidad, lo recubren con eso, con moléculas hidrofóbicas, Héctor, que puede ser parecido a lo que se usa en los lavaparabrisas. Ellos utilizan ácido estiárico o PDMS, que es un tipo de silicona, con el objetivo de reducir la energía superficial, de tal forma que el agua prefiera quedarse rodeada de aguas en vez de absorberse sobre la superficie, en vez de mojar, en este caso, los tubos y aplican este. recubrimiento superhidrofóbico tanto al exterior como al interior de los tubos. ¿Qué raro, no? Y al interior, ¿por qué? La primera pregunta que se me ocurrió. Bueno, porque es en el interior del tubo donde ocurre la física chula. Por efecto de la hidrofobicidad, el agua se comporta en la boca del tubo como una suerte de membrana tensa. Mientras el tubo sea lo suficientemente estrecho, la tensión superficial podrá sostener esta membrana y evitar que el agua entre al tubo. La figura más relevante para ver esto del artículo es la 1, que muestra estos tubos sobre la superficie del agua y, en particular, el panel B, que ilustra los dos parámetros claves. Son dos parámetros claves: el parámetro fundamental es la relación entre ellos, ¿vale?: el diámetro interno del tubo de max en el artículo y la altura máxima del menisco, H max. Si esta altura máxima del menisco del agua es mayor que el diámetro del tubo, el menisco puede curvarse lo suficiente como para alcanzar la parte superior del tubo, taponarlo completamente, sellarlo y deja así el aire atrapado en el interior. Pero si el tubo, claro, es demasiado ancho, pues el menisco este de agua ya no consigue taponar todo el tubo; la interfaz colapsa, el agua invade el tubo, el aire escapa y la flotabilidad obviamente se pierde. Así que el mecanismo que os estoy tratando de contar es que el tubo flota porque el agua forma una especie de cuente curvo estable en la boca ligeramente dentro del tubo que tendría que curvarse demasiado para conseguir entrar y si los parámetros son los adecuados, pues no lo consigue. Como el líquido del que estamos hablando, agua, la gravedad es la que es y el tratamiento hidrofóbico son los dos que os he contado; los autores encuentran que hay un punto dulce en cuanto a diámetro interior, ese va a ser al final el parámetro clave de los tubos, que es 5 milímetros: más grandes y el agua entra; más pequeños y el tubo pesaría demasiado para el aire que atrapan, que al fin y al cabo es lo que proporciona la capacidad hidrofóbica. ¿Vale? Bueno, pues con esos 5 milímetros, y estoy hablando de tubos de aluminio, hay suficiente flotabilidad submarina cuando el tubo está completamente sumergido para que los tubos vuelvan a la superficie. Por eso el nombre del artículo habla de recuperables; aunque tú lo hundas, el tubo de aluminio emerge. Vale, pero recordar que el desafío no era tanto hacer flotar a estas cositas sino impedir que el aire escapase cuando se inclinan. Obviamente, cuando el tubo está en horizontal la presión a ambos lados del tubo pues es la misma. Pero cuando se inclina uno de los estemos queda más profundo que el otro y por tanto aparece una diferencia de presión hidrostática que empuja el aire hacia arriba. La única cosa que puede evitar que el aire acabe saliendo es la presión de Laplace asociada a la curvatura del menisco que os he descrito antes de la interfaz aire-agua. Así que si el empuje hidrostático, el desbalance hidrostático gana a Laplace, ocurre lo de antes, el menisco colapsa, el aire sale literalmente desplazado por el extremo superior y a pique que nos vamos. Los autores usan la ecuación de John Laplace, simulaciones numéricas de fluidos CFD y hacen un montón de experimentos de flotabilidad y muestran que un tubito normal como de los que estamos hablando, de estos 5 milímetros. Pierde aproximadamente la mitad del aire atrapado cuando se inclina solo 10 grados; 10 grados de inclinación, que vamos, que nada es un día tranquilo en el océano. Llamamos a eso, vale, así que se ponen a tope para encontrar la solución: hacen más teoría, más simulaciones, más experimentos y tras arduas y sesudas deliberaciones se les ocurre una idea de una complejidad técnica apabullante que consiste en poner una pared en el interior del tubo; ese sellado interno desacopla hidrostáticamente los dos extremos del tubo de tal forma que ahora el aire ya no puede desplazarse de un lugar a otro. Cuando llega una ola o un impacto, pues las burbujas, ahora tenemos dos, una en cada lado, pues simplemente se comprimen un poquito, intentan irse hacia el lado de arriba y se encuentran con una pared; bueno, pues luego cuando se equilibra el tubo, pues se expande otra vez y Tampichis se quedan. Es una solución tremendamente simple y tremendamente efectiva, que me resonó con un problema del que fui testigo durante el diseño de la primera misión espacial en la que participé: el telescopio infrarrojo ISO. Que soy como el abuelo Cebolleta, creo que ya…
Juan Carlos Gil describe las pruebas de resistencia a las que se sometieron los tubos superhidrofóbicos para verificar su funcionamiento.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #8 · Palabras #4pruebas de tortura a tuboscorrosión en agua saladarecubrimiento super hidrofóbico exteriorflotabilidad tras lijadotubo superhidrofóbico con 15 agujeroseliminación del 10 material tubosuperficie flotante tras perder masa…de la ingeniería, que a veces la diferencia entre un diseño mediocre y uno brillante no es tecnología súper complejas ni mecanismos sofisticados; a veces pues una pared en el sitio adecuado o un pequeño agujerito colocado adecuadamente pues puede bastar. Y con este diseño, pues empiezan las pruebas de tortura. Inclinan los tubos hasta la vertical, los golpean contra el agua, los someten a corrientes, los someten a olas, los dejan semanas en agua salada, súper concentrada para que se corroan, les hacen agujeros y aún así en todas las condiciones siguen flotando; hasta les lijan por fuera para eliminar el recubrimiento super hidrofóbico exterior, siguen flotando, confirmando un poco el mecanismo que os he contado: que la gracia de este asunto está en el interior de los tubos. Hay una imagen fantástica en el artículo, el panel D de la figura 4 donde aparece un tubito al que le han hecho 15 agujeros de varios milímetros, ¿vale? Han eliminado el 10% del material del tubo y aún así el tubo se mantiene a flote y si lo sumerges completamente emerge. El agua no puede invadir el interior incluso tras haber perdido el 10% de su masa en forma de 15 agujeros, 15 donuts. Para terminar, los autores construyen una pequeña balsa formada por ocho de estos tubitos y hacen hasta un prototipo de un pequeño generador, un dimotriz, para aprovechar la energía de las olas. Obviamente muy preliminar, no estamos ante la próxima revolución…
Juan Carlos Gil señala una limitación en el artículo analizado: la escalabilidad como un problema pendiente. Menciona que el diámetro de los tubos es el parámetro clave según el estudio.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #11 · Palabras #16escalabilidad como problema pendientediámetro de los tubos parámetro claveespesor paredes compromiso peso rigideztubos con espesor 0 3 milímetros…aprovechan de forma inteligente Y tercero, porque esto va en la línea, en la gran aspiración de la ingeniería naval, de buscar la panacea, los barcos imposibles de hundir, que como nos recordó Titanic hace más de un siglo, bueno, pues es bastante importante Lado negativo, el artículo deja abierto un gran problema y es de nuevo la escalabilidad. El único parámetro importante según estudian es el diámetro de los tubos. Por supuesto también contaría el espesor de las paredes porque al fin y al cabo es el que determina el compromiso entre peso del tubito y rigidez. En el artículo todos los tubos son del mismo espesor, 0,3 milímetros y también está la longitud de los. Tubos cuya influencia no exploran los autores para nada. Así que sí, la física funciona pero no está nada claro cómo escalarla desde la balsita esta de ocho tubitos que tienen hasta una plataforma oceánica real. Y bueno, pues hasta aquí lo que os quería…