11 de febrero de 2013

El "efecto de las nueces de Brasil"

¿Por qué al agitar un recipiente con café los granos más grandes se trasladan a la superficie? ¿Por qué en una bolsa de frutos secos los ingredientes más grandes (como las nueces de Brasil) suelen estar en la parte superior del envase? 


La respuesta a las interesantes preguntas anteriores la podemos encontrar en la Física de la materia granular. En concreto, el efecto anterior se denomina "Separación por tamaño granular" (Granular convection), y a veces también se alude a él como "Efecto de las nueces de Brasil". En general, al sacudir cualquier recipiente en el que se encuentren granos, los de un tamaño mayor al resto saldrán a la superficie. Existen varias explicaciones físicas a la separación por tamaño.

Parece obvio, que este efecto queda fuera de, por ejemplo, los granos de polvo, ya que los primeros simplemente caerían entre los espacios que dejan las nueces. Por eso en este efecto, citando al profesor Heinrich M. Jaeger [1], el caso más interesante lo representan las mezclas de partículas que no presenten diferencias tan grandes de tamaño entre ellas, sino una variación cerca del 10%. En estos casos, y contradiciendo lo que a priori podríamos pensar, las partículas más grandes y más pesadas suben a la superficie.

Los mecanismos físicos que producen esta separación por tamaños son dos:

  • En primer lugar, durante una sacudida del recipiente hay un corto espacio de tiempo en el que las partículas grandes se separan brevemente de las más pequeñas que tienen a su alrededor y dejan espacio libre debajo, los granos pequeños pueden entonces moverse para ocupar ese espacio. Al querer volver a su lugar de origen al finalizar la sacudida, los fragmentos grandes ya no pueden. Posteriormente se repite el proceso en cada sacudida y el efecto que observamos es que las partículas grandes van, progresivamente, subiendo. 
  • El segundo mecanismo, y el que más importancia tiene a la hora de provocar el movimiento de ascenso, consiste en un bucle de convección (algo parecido al bucle del aire caliente y frío en una habitación). Al agitar la caja o el recipiente, las partículas se friccionan con las paredes del mismo, provocando que no suban sino que bajen. De este modo se crea un flujo de bajada cuya anchura sólo mide unos pocos diámetros de partículas. Al ser una corriente de convección, también hay un flujo en sentido opuesto, hacia arriba, situado en el centro del recipiente. Las partículas pequeñas suben por el centro y al llegar arriba bajan por los laterales del receptáculo, completando el círculo.

    ¿Qué pasa con las partículas grandes? Pues bien, las grandes ascienden por el centro igual que las demás, y una vez arriba se desplazan hacia los laterales para iniciar la bajada, pero la diferencia radica en que no bajan, no completan el ciclo. Al ser demasiado grandes, no logran penetrar completamente en la pequeña franja de corriente descendente y quedan atascadas en la parte superior. Tras unos pocos ciclos de sacudidas, el proceso da lugar a una concentración de partículas grandes en la parte superior. 

Los dos mecanismos que acabamos de ver son los responsables de la subida de los elementos granulares grandes, sin embargo existen diferencias entre ambos. El mecanismo de convección (el segundo) es el que lleva la voz cantante y el que provoca mejor el ascenso. Hay supuestos en los que no funcionaría, por ejemplo en el caso de que las paredes no produzcan fricción, pero en la práctica es difícil hacer paredes que no tengan rozamiento. 

Añado un vídeo que he encontrado en youtube (hay muchos sobre este efecto), que me parece muy ilustrativo:



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