Acaba de aterrizar una nueva teoría sobre las turbulencias en los aviones

Un par de científicos desarrollaron un modelo avanzado que puede contribuir al estudio de las turbulencias en los aviones y ayudar a los ingenieros que buscan hacer el vuelo más seguro.

Bjorn Birnir teme que un vecino de asiento en el avión le pregunte a qué se dedica. Eso es porque Birnir es uno de los principales estudiosos mundiales de la turbulencia, el movimiento caótico de los fluidos, como el agua o el aire, en medio de una perturbación. Inevitablemente, el compañero de asiento le hará a Birnir la única pregunta que sabe que le espera y se resiste a responder: ¿Qué tan peligrosas son las turbulencias?

Hoy en día, esa pregunta se la plantean cada vez con más frecuencia los tres millones de personas que vuelan a diario tan solo en aeropuertos estadounidenses. Aunque antes parecían relegadas a una simple molestia de la aviación comercial, como la mala comida y el insuficiente espacio para las piernas, las turbulencias severas están empeorando. En 2023, investigadores británicos utilizaron datos meteorológicos recogidos a lo largo de varias décadas para llegar a la conclusión de que las turbulencias graves sobre el Atlántico Norte habían aumentado un 55 por ciento entre 1979 y 2020. (El estudio solo tuvo en cuenta las turbulencias de aire despejado, que se producen cuando un avión no vuela a través de una tormenta o por encima de una cordillera; ese tipo de turbulencia es especialmente difícil de predecir).

"He pensado muchas veces que sería maravilloso si pudiéramos hacer que los viajes en avión fueran un poco más agradables", dijo Birnir, quien dirige el Centro de Ciencias Complejas y No Lineales de la Universidad de California en Santa Bárbara, y también preside el departamento de matemáticas de dicha universidad. Su última contribución a este esfuerzo es un artículo publicado recientemente en la revista científica Physical Review Research, en el que, según dijo, se presenta posiblemente el modelo más avanzado de movimiento turbulento. Este modelo podría, a su vez, ayudar a los ingenieros que buscan hacer los vuelos más seguros y menos estresantes.

"El diseño de aviones se va a beneficiar", dijo Birnir. "Sin duda veremos mejores modelos meteorológicos".

Thomas Q. Carney, profesor jubilado de tecnología de la aviación en la Universidad de Purdue, quien ha realizado más de 11.000 horas de vuelo como piloto, dijo: "Cuanto mejor sea el modelo, cuanto más capte del campo turbulento concreto, mejor será la previsión, que es lo que va a utilizar el piloto".

Volar en compañías estadounidenses aún es excepcionalmente seguro, pero los accidentes recientes han empezado a erosionar la confianza en la aviación comercial. Este mes, la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte publicó un informe provisional sobre un vuelo de Delta Air Lines en el que, a finales de julio, resultaron heridas varias personas durante un encuentro con un aire inesperadamente agitado sobre Wyoming. Los pilotos habían intentado evitar el mal tiempo, solo para verse zarandeados inesperadamente por corrientes turbulentas. (El cambio climático también puede estar influyendo, ya que el calentamiento de la atmósfera afecta a la presión atmosférica y a la velocidad del viento).

La turbulencia ha planteado durante mucho tiempo un reto a los científicos, aunque en los últimos años los investigadores han introducido cambios significativos en la comprensión de su funcionamiento. Richard P. Feynman, físico galardonado con el Premio Nobel, la llamó en una ocasión "el problema sin resolver más importante de la física clásica". Una de las razones es que la turbulencia "se basa en muchos factores en movimiento, por así decirlo: temperatura, presión, viento, etc.", dijo Patrick Smith, quien escribe sobre aviación en su sitio web, Ask the Pilot. "Los factores y condiciones que provocan el aire agitado pueden cambiar muy rápidamente".

El sistema es intrínsecamente caótico y se niega a evolucionar por un camino predecible. Las partículas que experimentan un movimiento turbulento "empiezan a divergir en distintas direcciones", dijo Tanner D. Harms, quien estudió la turbulencia como estudiante de doctorado en el Instituto de Tecnología de California. Esas direcciones son excepcionalmente difíciles de modelar con precisión. "La definición de caos está casi entretejida en la propia turbulencia".

Para intentar dar sentido al caos, Birnir trabajó con Luiza Angheluta-Bauer, física teórica de la Universidad de Oslo, para idear un modelo que combina dos métodos distintos de observación de la turbulencia: lo que se conoce como mecánicas lagrangiana y euleriana. Los expertos afirman que ninguno de los dos marcos puede explicar plenamente por sí mismo cómo funciona la turbulencia.

Ello se debe a que estos dos marcos observan aspectos fundamentalmente distintos de un sistema turbulento. En la mecánica lagrangiana, los investigadores observan una simple partícula, mientras que en el marco euleriano observan un único punto en el espacio. En pocas palabras, la mecánica lagrangiana es como observar una hoja que fluye río abajo, sujeta a los caprichos de los remolinos del agua. En cambio, la mecánica euleriana es como observar una roca que sobresale de la superficie del río y estudiar cómo la turbulencia del agua se mueve alrededor de ese punto fijo.

La turbulencia lagrangiana es más difícil de modelizar porque requiere comprender cómo se comportará una partícula solitaria. Esa partícula solitaria "ejecutará el movimiento más complicado que puedas imaginar", dijo Birnir.

Saber cómo encaja cada tipo de turbulencia en el panorama general es similar a seleccionar la lente adecuada para un microscopio, ya que ambas dependen en gran medida de la perspectiva. "La misma turbulencia, historias diferentes", dijo Tomek Jaroslawski, investigador postdoctoral del Centro de Investigación de la Turbulencia de Stanford. "Ninguno de los dos puntos de vista es erróneo, solo son formas distintas de plantear una pregunta a la naturaleza".

Él y Angheluta-Bauer utilizaron enfoques tanto teóricos como estadísticos. Anteriormente, los físicos no habían conseguido llegar a un modelo tan completo del movimiento turbulento. "El resultado es novedoso, de eso no hay duda", dijo Katepalli Sreenivasan, exdecano de la Escuela Tandon de Ingeniería de la Universidad de Nueva York, y reconoció que algunos expertos no estaban de acuerdo con su valoración.

"La turbulencia plenamente desarrollada es donde las cosas son una locura", dijo J. Doyne Farmer, catedrático de sistemas complejos y caóticos de la Universidad de Oxford. "Esos remolinos se comportan de forma muy caótica, y hay muchos grados de libertad".

Birnir dijo que creía que el vuelo de Delta sobre Wyoming "parece ser un ejemplo típico de intermitencia grave en la turbulencia euleriana", aunque afirmó que no podía hacer un análisis definitivo sin tener acceso a los datos brutos. Dijo que un modelo más matizado del modelo de turbulencia podría haber permitido a los pilotos tomar medidas preventivas, como reducir la potencia del motor, para contrarrestar la irregularidad euleriana por la que estaban volando.

Carney, de la Universidad de Purdue, confesó que parte del trabajo que habían realizado Birnir y Angheluta-Bauer estaba más allá de su entendimiento y que probablemente estaría fuera del alcance de cualquier piloto sin experiencia en dinámica de fluidos computacional. Pero eso no disminuía su utilidad potencial. "Confío en que contribuyan al estado de los conocimientos", dijo.