Física del agua: absorción perfecta coherente de las olas

Hace pocos meses se conocían los resultados del experimento llevado a cabo por un equipo de científicos de distintas instituciones universitarias francesas. Dichos resultados están relacionados con la transmisión de ondas acuáticas (es decir, de las olas) y el concepto de «absorción perfecta», o su derivada «absorción perfecta coherente». La absorción perfecta, en el contexto científico, se refiere a la capacidad de un material para absorber la totalidad de la radiación incidente sobre él (las olas también son una forma de radiación), en una determinada frecuencia o rango de frecuencias. Por ejemplo, un material absorbente perfecto de sonido, absorbería idealmente el 100% del sonido incidente, es decir, ni reflejaría ni transmitiría ninguna parte de esa frecuencia o rango de frecuencias específicas.

En cambio, la absorción perfecta coherente va más allá, prescinde de la mediación de ese material imaginario y permite el control de ondas mediante la interacción directa con otras ondas, ya sea las de la luz con las de la luz, las de las olas con las de las olas, las de sonido con las de sonido, etc. En realidad, es un concepto teórico en el campo de la física que implica la capacidad de controlar ondas mediante la interacción directa de ondas coherentes, es decir, ondas cuyas fases son iguales.

Según explicaba a Physics Magazine Agnès Maurel, física matemática de la École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles (ESPCI) de París e integrante del equipo de investigadores, lo que motivó su estudio fue «la necesidad de controlar o absorber las olas en los ríos o de proteger las costas». Señalaba además que «absorber por completo la energía de las olas es incluso mejor que redirigirla», a lo que añadía que podíamos ir más allá e imaginar la posibilidad de «recolectar dicha energía». En todo caso, se trata de una investigación que ha llamado nuestra atención como compañía que se dedica al diseño, arquitectura y construcción de parques acuáticos, en los cuales el control de las ondas en el agua, por ejemplo en las piscinas de olas, es precisamente una cuestión decisiva. Veamos en qué consiste esa investigación.

A partir de cálculos matemáticos, Maurel y el equipo de investigadores demostraron que la absorción perfecta de las ondas en el agua podía alcanzarse mediante la ingeniería de un tipo particular de «estructura resonante». La estructura consistía inicialmente en un canal de agua con dos cavidades. Sus cálculos preliminares, que consideraban un fluido ideal sin pérdidas de energía por fricción, demostraron que esas dos pequeñas cavidades actuarían como cámaras de resonancia con efecto de la absorción perfecta coherente de las olas. Dichos cálculos se efectuaron para un canal de agua de 1,4 m de largo, 6 cm de ancho y 5 cm de profundidad, mientras que las dos cavidades tenían idéntico tamaño, con una longitud perpendicular respecto de la pared del canal de 4 cm y una anchura a lo largo de él de 3 cm. Con estos parámetros, las operaciones predecían una transmisión nula de ondas en el rango de frecuencias de 2,7 a 3,3 Hz.

Al comprobar sus predicciones en el laboratorio, el equipo de investigadores halló dos descensos en la curva de transmisión de las ondas de agua reales en función de su frecuencia: el primero de dicho descensos casi llegó a cero, mientras que el segundo alcanzó una reducción de la energía de aproximadamente el 40%. Estas discrepancias con los cálculos teóricos, según los científicos, reflejaban las pérdidas por fricción en el fluido, además del hecho de que se trataba de una aproximación.

Por fin, por el procedimiento de ensayo y error, Maurel y sus colegas descubrieron que con la asimetría de las dos cavidades, en la medida en que una se extendía más lejos de la pared del canal que la otra, se conseguía la absorción perfecta a 2,9 Hz, es decir, una transmisión y reflexión igual a cero para esa frecuencia. La estructura resonante garantizaba ahora una interacción entre las olas entrantes y las reflejadas con el resultado de su cancelación perfecta. Así, y según leemos en el estudio, «se demuestra experimental, numérica y teóricamente (…) el control de la propagación de ondas de agua guiadas». Como corolario a su descubrimiento, los investigadores señalan que este podría utilizarse para desarrollar un sistema práctico que proteja las costas de la erosión.

Aquí os dejamos a los autores del estudio: Leo-Paul Euvé, del laboratorio Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes, de la ESPCI; Kim Pham, de la École Nationale Supérieure de Techniques Avancées; Philippe Petitjeans, de ESPCI; Vincent Pagneux, del Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine, en colaboración con el Centre National de la Recherche Scientifique; y Agnès Maurel, del Langevin Institute de la ESPCI.

Los físicos y matemáticos de entre vosotros que lo deseen, disponen del documento completo del estudio aquí: ResearchGate.