¿Necesitas Construir una Máquina de Burbujas? ¡Pregúntale al Camarón Pistola!
Artículo escrito y traducido por Christina Andrea Alvear. Articulo editado por Andrea Valcarcel 24 de marzo 2024.
Ilustración De La Leyenda: Camarón pistola de Randall (Alpheus randalli) (c) Dan Schofield algunos derechos reservados CC por SA 4.0 Deed
Artículo De Fuente Primaria: Soyama H, Tanaka M, Takiguchi T, Yamamoto M. Desarrollo de un generador de cavitación que imita al camarón pistola. Biomimetics. 2024; 9(1):47. https://doi.org/10.3390/biomimetics9010047
Artículos De Fuente Secundaria: https://www.shotpeener.com/library/pdf/2014024.pdf https://web.tohoku.ac.jp/ism/menu4/cavitation_peening.pdf
Un agradecimiento especial al Dr. Hitoshi Sayama, de la Universidad de Tohoku (Japón), por su permiso para utilizar imágenes de peening por cavitación y por proporcionar enlaces que ayudan a comprender el peening por cavitación.
Las burbujas son trozos de gas atrapados en una película líquida. Cuando el gas supera la solubilidad en agua, es decir, la cantidad de sustancia que puede disolverse en agua, el gas se agrupa y se forma una burbuja. Crédito: ” Pompas de jabón, Hakone, prefectura de Kanagawa, Japón”. Nakamura, CC BY-SA 2.0 Deed, vía Wikimedia Commons
Jugar con burbujas es divertido y cautiva la imaginación. Puedes preparar un relajante baño de burbujas, soplarlas al aire libre para jugar o ver dibujos animados con personajes que tienen poderes de haz de burbujas. (¡Un saludo a los fans de Pokémon y Jo Jo Bizarre Adventure!). Pero las burbujas no son solo un juego. En las condiciones adecuadas, las burbujas son francamente destructivas, sobre todo bajo el agua.
Daños en el borde exterior de la hélice debido a la cavitación. Crédito: “Propulsor” por Erik Axdahl , CC BY-SA 2.5 , vía Wikimedia Commons.
Cuando las burbujas estallan bajo la presión del agua, emiten ondas de presión que pueden afectar a los objetos o seres vivos cercanos. Este fenómeno se denomina burbujas de cavitación. Las burbujas de cavitación pueden dañar la maquinaria hidráulica, como las hélices de los barcos y las bombas que funcionan con agua corriente. Con el tiempo, el material expuesto a estas burbujas se erosiona y deja de funcionar.
Los Aspectos Positivos de las Burbujas de Cavitación
Sin embargo, las burbujas de cavitación no son malas en su totalidad. De hecho, son útiles de maneras inesperadas. La cavitación puede utilizarse para ralentizar el proceso de agrietamiento y erosión de los materiales o para romper materiales que no queremos. La cavitación es un proceso que se aprovecha a menudo en aplicaciones médicas e industriales. ¿Tiene unos cálculos renales? Una máquina puede emitir ondas de choque ultrasónicas que provocan burbujas de cavitación para romper el cálculo sin cirugía. El mismo principio se aplica en aguas residuales que rompen los grumos (No pregunte qué son esos grumos.). Mejor aún, si se necesita que las centrales eléctricas duren más, se pueden reforzar las paredes dándoles el tratamiento de las burbujas. Disparar burbujas a un material para aumentar su durabilidad se denomina granallado por cavitación.
Disparo de Granallado y Granallado por Cavitación
Diferencia entre disparo de granallado y granallado por cavitación con una vista en sección transversal de ambos. Fuente de la imagen: Fuente de la imagen Figura 4 https://web.tohoku.ac.jp/ism/menu4/peening/advantage.html
Existen dos métodos principales para reforzar los materiales: el granallado y el granallado por cavitación. En el primer caso, imagínese a una persona disparando una pistola de perdigones sobre una superficie. Esto evita que el material se rompa, pero hace que la superficie se llene de baches. En cambio, el granallado por cavitación consiste en crear una fuerza lo suficientemente fuerte como para hacer una muesca sin utilizar objetos sólidos. En su lugar, la fuerza crea burbujas que impactan en la superficie y producen una muesca cuando se colapsan. Entre los dos métodos de granallado, el granallado por cavitación ofrece mejores resultados.
¡Mejora tu Máquina de Burbujas!
Generador de cavitación que contiene un actuador piezoeléctrico. Fuente de la imagen: Figura 7 https://doi.org/10.3390/biomimetics9010047
Este experimento el de Dr. Soyama es un emocionante ejemplo de biomimetismo, el campo de aprender de las adaptaciones de la naturaleza para crear diseños y procesos innovadores. El Dr. Soyama y sus colegas querían crear una máquina de hacer burbujas compacta y eficiente. Los científicos japoneses pensaron en desarrollar un generador de cavitación que no necesitara láser, sino un actuador piezoeléctrico. Un piezoactuador es un pequeño motor cilíndrico capaz de realizar movimientos lineales cuando se le aplica un campo eléctrico. Los piezoactuadores se suelen utilizar en dispositivos como interruptores eléctricos, microbombas, impresoras de chorro de tinta y dispositivos antivibración. Con la ayuda del camarón pistola y un generador de cavitación láser, el Dr. Soyama y sus colegas han desarrollado un prototipo de generador que puede utilizarse para el granallado por cavitación.
Los Retos del Granallado por Cavitación
El granallado por cavitación es una técnica complicada. La fuerza implicada en la creación de una tensión de compresión (muescas) en una superficie puede proceder de la velocidad del aire, el agua, el láser o el sonido; es decir, se pueden utilizar chorros de agua, chorros de cavitación de agua, cavitación láser y técnicas de bocinas vibratorias, respectivamente, para llegar a los resultados deseados. No obstante, todas las técnicas tienen sus limitaciones. En el caso de la técnica de chorro, no hay fuerza suficiente para lograr la intensidad de cavitación deseada. El láser puede hacer el trabajo, pero puede llevar mucho tiempo tratar una superficie y puede ser caro. Los científicos han propuesto utilizar el sonido para crear burbujas de cavitación, pero conseguir la intensidad adecuada es complicado. ¿Cómo resuelven los científicos este problema? La respuesta la encontraron con el camarón pistola.
Pistol Shrimp, no es tu Cóctel Común
Camarón pistola macho. Fuente de la imagen: “Camarón pistola de Randall (Alpheus randalli)” by Hkchan 123 está autorizada por CC por SA 4.0 Deed
El camarón pistola, Alpheus randalli, es un crustáceo rojo y blanco con una pinza pequeña y otra grande. Con menos de dos pulgadas de largo, el camarón tiene un golpe muy potente. Cuando la presa se acerca, el camarón lanza una ola de burbujas que produce una inmensa cantidad de presión y un sonido fuera de este mundo. Viaja entre 60 y 70 millas por hora, haciendo que así, cuando una burbuja estalla en su objetivo, llega a emitir un sonido de hasta 210 decibelios. Como referencia, esto es más fuerte que un disparo. Los científicos japoneses decidieron estudiar el rendimiento del camarón en el disparo de burbujas para desarrollar máquinas que puedan crear burbujas de cavitación más potentes, es decir, generadores de cavitación.
Cómo Construir una Máquina que Hace Burbujas
Montaje del tanque para medir el ruido que hace la pinza del camarón pistola. Fuente de la imagen: Figura 4 de https://doi.org/10.3390/biomimetics9010047
Los científicos midieron las dimensiones de la pinza del camarón pistola utilizando un escáner. Con esta información, pudieron calcular cuánto volumen de agua exprime su pinza. Luego, colocaron el camarón pistola en un acuario y midieron el sonido que emitía al chasquear la pinza con un dispositivo llamado hidrófono, para luego compararlo con el ruido emitido por el láser pulsado. A continuación, los científicos utilizaron una cámara de vídeo de alta velocidad para determinar el tamaño y la velocidad de una burbuja de cavitación ideal procedente de un generador de láser pulsado. Por último, tras combinar esta información, la utilizaron para determinar cómo construir el generador que contiene un actuador piezoeléctrico y el rendimiento del prototipo utilizando una cámara de alta velocidad.
Entonces, ¿Puedo Tener ya mi Máquina de Burbujas?
Entonces, ¿Puedo Tener ya mi Máquina de Burbujas?
Burbuja de cavitación saliendo del generador de cavitación que contiene un actuador piezoeléctrico utilizando una cámara de vídeo de velocidad. Fuente de la imagen: Figura 15 de https://doi.org/10.3390/biomimetics9010047
Cuando los científicos intentaron producir burbujas a partir del generador con el actuador piezoeléctrico, el volumen de la cavitación fue menor que el del camarón pistola porque la velocidad del chorro de agua no era lo bastante rápida. Sin embargo, al final del experimento, el Dr. Soyama y sus colegas pudieron obtener información útil que podría acercar a los fabricantes a tener un generador de cavitación piezoeléctrico que funcione. Obtuvieron resultados sobre la velocidad y el volumen de agua necesarios, así como el tamaño del diámetro ideal de la burbuja para crear la fuerza de cavitación necesaria para que el generador sea eficaz.
Además, su recomendación para futuros diseños es encontrar una forma de diseñar mejor la geometría de la tobera. En general, los resultados son prometedores. Si los ingenieros consiguen que el generador produzca burbujas de 3 mm de tamaño, los fabricantes podrán prescindir del láser y trabajar con un diseño más compacto, eficiente y barato. Este experimento pone de relieve cómo aprender diseño de la naturaleza puede crear soluciones innovadoras. ¡Gracias, camarón pistola!
¿Quiere saber más? Vea este vídeo del Dr. Hitoshi Soyama sobre de granado por cavitación
Referencias Adicionales
APC International, Ltd. APC International Ltd. website, accessed 16 March 2024 <https://www.americanpiezo.com/standard-products/stack-actuators.html>
Destructive power of bubbles could lead to new industrial applications.[El poder destructivo de las burbujas podría dar lugar a nuevas aplicaciones industriales.] (2015, June 30). Space Daily https://link.gale.com/apps/doc/A419921315/ITOF?u=txshrpub100594&sid=bookmark-ITOF&xid=33399504
Ramaswamy, K., Marx, V., Laser, D., Kenny, T., Chi, T., Bailey, M., Sorensen, M. D., Grubbs, R. H., & Stoller, M. L. (2015). Targeted microbubbles: a novel application for the treatment of kidney stones. [Microburbujas dirigidas: una nueva aplicación para el tratamiento de cálculos renales] BJU International, 116(1), 9–16. https://doi.org/10.1111/bju.12996
Versluis M. (2012, Oct 29). On the sound of Snapping Shrimp.[Sobre el sonido de los camarones pistolas.] YouTube. https://youtu.be/Zg10Et8FEWc?si=YGEh7k54KGSjVMi6
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