INESTABILIDADES EN LA COCINA: CONVECCIÓN DE RAYLEIGH-BÉNARD Y DE BÉNARD-MARANGONI

En la naturaleza pueden observarse numerosos polígonos regulares. Un ejemplo surgido de procesos geológicos, puede observarse en la Calzada de los Gigantes en Irlanda, o en la Devil's Postpile en California, donde el enfriamiento de la lava ha formado áreas estrechamente acopladas de columnas hexagonales de basalto. 

Figura 1. Ejemplos columnas de basalto

En meteorología, los Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM) suelen agruparse con formas de células convectivas más o menos hexagonales. Son mayoritariamente de dos tipos, las llamadas células abiertas y células cerradas, dependiendo si el centro de la célula está despejada de nubes o cubierta por ellas, respectivamente.  

Figura 2. Ejemplos de células en la atmósfera

¿Por qué se forma el patrón hexagonal? 

Si un material se fractura con el mínimo de energía lo hará en forma hexagonal. Por ejemplo, cuando el fondo de un lago se agrieta al secarse, comienza por la superficie y a medida que va rotando se va acomodando en hexágonos porque reducen energía más efectivamente que si las grietas estuvieran orientadas al azar. 

Por idéntica razón, la convección también adopta patrones hexagonales. A estas geometrías resultantes se las denomina celdas de de Rayleigh-Bénard. 

Entonces....el mismo fenómeno que formó algunas estructuras naturales como las de las Figuras 1 y 2 se puede  observar si te preparas una taza de chocolate caliente,

En el siguiente video se muestra este fenómeno:

Probablemente ya habías notado este fenómeno en la superficie de una taza, o de algunos otros líquidos cuando calientas algo en la estufa.

Un poco de historia....

En 1900 Bénard observó la aparición del movimiento convectivo de células hexagonales donde el fluido sube en el medio y cae en sus bordes al calentar a un valor crítico la placa del fondo. Por razones históricas en la actualidad esto se denomina convección de Bénard-Marangoni.

¿Porque sucede esta convección? 

La convección de Rayleigh-Bénard se lleva a cabo cuando el fluido esta entre dos placas la de abajo se calienta mientras que la de arriba se enfría, la tensión superficial no afecta al fluido, y la convección toma la forma de rollos, sin embargo cuando la superficie superior está libre a la tensión superficial (como una taza) se le suman los efectos de gravedad y fuerza de empuje. En este caso el fluido va de las zonas de menor tensión superficial a las de mayor tensión, por lo tanto los rollos de convección se destruyen y aparecen otras estructuras, generalmente hexágonos (como los que se ven en el video 1). Este tipo de convección con la superficie superior libre, se denomina convección de Bénard-Marangoni.

Entonces:

Al calentar una capa de un fluido (en este caso chocolate), por la parte inferior, éste se dilatará, y al disminuir su densidad será empujado hacia arriba por el empuje de Arquímedes, apareciendo una corriente ascensional, Por otro lado, el chocolate más frío de las capas superiores tenderá a descender, ocupando el espacio dejado por el más caliente. De esta forma se forma la convección de Benard-Marangoni en un taza de chocolate.

Figura 3. Convección de Bénard-Marangoni 

Escrito por: Rebecca Barrales Hassan

Contacto: 
cienciaenlacocinaunam@gmail.com y rebeccabarraleshassan@gmail.com

Referencias:

[1]Bénard Cells and Taylor Vortices, E. L. Koschmieder, Cambridge University Press, 26 de febrero de 1993. 

[2] Life in Moving Fluids: The Physical Biology of Flow, Steven Vogel, Princenton University press, 2da ed. 1996 

[3]Rayleigh-Bénard Convection: Structures and Dynamics, Alexander V. Getling,1998. 

[4] On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side, Lord Rayleigh, Phil. Mag., Ser.6, 32: 529 - 546, 1916. 

[5] Rayleigh Bénard convection: dynamics and structure in the physical space Tian Ma y Shouhong Wang p.p. 1-3 Volumen 5, tema 3, 2007 [6] http://www.pma.caltech.edu/Courses/ph136/yr2012/1218.2.K.pdf cosultado el 12/05/16 a las 5:30 p.m. 

[7]http://search.asee.org/search/fetch?url=file%3A%2F%2Flocalhost%2FE%3A%2Fsearch%2Fcon ference%2F17%2FAC%25202008Full945.pdf&index=conference_papers&space=1297467972036 05791716676178&type=application%2Fpdf&charset consultado el 17/05/16 a las 12:00 p.m. 

[8]http://clubparafly.com.ar/dev/publicaciones_detalle.php?p=295&PHPSESSID=fefa2255ede471b b3a412dcbd0820bbf consultado el 18/05/16 a las 10:40 p.m.