{"id":918,"date":"2020-11-10T12:59:14","date_gmt":"2020-11-10T11:59:14","guid":{"rendered":"http:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=918"},"modified":"2020-11-10T12:59:14","modified_gmt":"2020-11-10T11:59:14","slug":"capa-de-invisibilidad-para-ondas-en-el-agua","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2020\/11\/10\/capa-de-invisibilidad-para-ondas-en-el-agua\/","title":{"rendered":"Capa de invisibilidad para ondas en el agua"},"content":{"rendered":"\n

Adem\u00e1s de por su propio inter\u00e9s cient\u00edfico, hay razones extra para querer lograr que las ondas en el agua, las olas, desaparezcan en un determinado terreno, que es de lo que trata el art\u00edculo que comento aqu\u00ed. Cuando se hacen puertos y estructuras del estilo, donde los barcos deben atracar, el oleaje que se forme es muy molesto, por eso se suelen poner barreras capaces de minimizar el mismo. Pero si hay olas muy grandes, pasan por encima de las barreras y por lo tanto, los barcos no pueden atracar y los que est\u00e1n atracados se mueven, con todos los riesgos de seguridad que eso conlleva.<\/p>\n\n\n\n

Los autores del art\u00edculo comienzan en su introducci\u00f3n comentando la importancia de los oc\u00e9anos para la humanidad, dado que los empleamos como rutas de transporte y lugares de alimentaci\u00f3n y recreo(1). Y dado que el mar es de todo menos tranquilo, la investigaci\u00f3n sobre sistemas de control del oleaje es un campo muy activo de la hidrodin\u00e1mica. Como comentaba en el p\u00e1rrafo anterior, m\u00e9todos m\u00e1s habituales de control del oleaje logran su disipaci\u00f3n o atenuaci\u00f3n, pero no su eliminaci\u00f3n. Por eso con los sistemas actuales podemos o bien disminuir la altura de las olas o bien la frecuencia con la que llegan cerca de los puertos, pero no eliminar por completo el oleaje.<\/p>\n\n\n\n

Sin embargo, en el campo de ondas electromagn\u00e9ticas, y gracias al uso de metamateriales(2), el lograr la atenuaci\u00f3n de estas ondas en vol\u00famenes muy concretos, o su paso sin perturbar las ondas en s\u00ed, ya se ha conseguido en diversas condiciones. Por supuesto, algo as\u00ed ser\u00eda muy ventajoso en estructuras humanas cercanas al mar, porque si las olas pasan a trav\u00e9s de un volumen determinado sin que se note su presencia, no pueden afectarlo ni a los barcos que contiene. Seg\u00fan el art\u00edculo, los problemas principales de estos metamateriales para su aplicaci\u00f3n a las ondas marinas son dos. El primero, que las estructuras que hay que hacer son muy complejas, lo que dificulta su replicaci\u00f3n en puertos y dem\u00e1s. Adem\u00e1s, generalmente su funci\u00f3n de invisibilidad o paso de una onda sin verse afectada por ella s\u00f3lo la cumplen para una longitud de onda, cunado las olas son ondas de muy amplio espectro. Con estos dos inconvenientes, no se podr\u00edan emplear las estructuras actuales para su uso con ondas en l\u00edquidos. <\/p>\n\n\n\n

Comentan despu\u00e9s los investigadores que el uso de metamateriales en gradientes planos soluciona algunos de estos problemas: son estructuras que se pueden replicar en el tama\u00f1o requerido, relativamente f\u00e1ciles de montar y que tiene un ancho de banda grande, lo que permitir\u00eda que atenuaran un conjunto grande de oleajes. Su uso en \u00f3ptica est\u00e1 restringido, en el sentido de que m\u00e1s que trasladar la onda sin alterarla, este tipo de gradientes eliminan la amplitud que entre, atenuando muy fuertemente la onda electromagn\u00e9tica. Pero es este el objetivo de los autores con la olas: eliminarlas en una regi\u00f3n dada.<\/p>\n\n\n\n

As\u00ed, los autores adaptaron la tecnolog\u00eda de metamateriales con un gradiente de \u00edndice o GIM en ingl\u00e9s(3), para lo que en lugar de usar diversos materiales, emplearon distintas profundidades como generadores de diversos \u00edndices de transmisi\u00f3n de las ondas marinas en el agua. Con algo tan sencillo de construir como diversos gradientes de profundidad en el agua, se induce la \u00abinvisibilidad\u00bb de una zona de la costa a las olas, efectivamente protegi\u00e9ndola frente a ellas.<\/p>\n\n\n\n

La figura siguiente muestra el dispositivo de prueba en un canal:<\/p>\n\n\n\n

Como se observa, el gradiente de altura se genera en el comienzo y el final del elemento, mientras que la zona central del mismo es simplemente un paralelogramo plano de longitud L2<\/sub><\/em>, anchura t<\/em> y altura d<\/em>. Con este sistema, y siguiendo el formalismo de transmisi\u00f3n de ondas que se emplea con las ondas visibles, al pasar por este dispositivo, las ondas marinas \u00abven\u00bb un \u00edndice de \u00abrefracci\u00f3n\u00bb de perfil cambiante en la longitud de propagaci\u00f3n n(x).<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Estructura de metamaterial con gradiente de profundidad que es capaz de eliminar olas. La figura (a)<\/strong> es un dibujo transversal de algunas dimensionas b\u00e1sicas, la figura (b)<\/strong> muestra el modelo te\u00f3rico que se emple\u00f3 y la (c) <\/strong>la realizaci\u00f3n pr\u00e1ctica del mismo. Tomado de la figura 1 <\/span>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Es interesante notar que, dado que ten\u00edan que trabajar en un canal, las olas las crearon artificialmente con un dispositivo colocado antes del gradiente de alturas.<\/p>\n\n\n\n

Como explican con m\u00e1s detalle en el art\u00edculo, generalmente las relaciones entre el \u00edndice de refracci\u00f3n del material por el que se propaga la onda y la onda en s\u00ed genera la dispersi\u00f3n de las ondas, lo que en este caso se traducir\u00eda en ondas un poco m\u00e1s peque\u00f1as distribuidas por el canal. Sin entrar en detalles m\u00e1s t\u00e9cnicos, su estructura es capaz de modificar esta relaci\u00f3n para permitir que las ondas pasen por el canal fuertemente atenuadas, es decir, en lugar de dispersar las olas, el gradiente de altitud equivalente al GIM deja que la onda se propague aten\u00faandose muy fuertemente, por lo que se evita el problema de las olas.<\/p>\n\n\n\n

La siguiente figura muestra el resultado experimental en el canal anterior con ondas de 0,7 Hzs de frecuencia y una altura media del canal de 16 cm:<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Eliminaci\u00f3n experimental de las ondas para las condiciones vistas arriba. La escala que va de 4 a -4 indica amplitud de la onda, y se observa con claridad como las ondas quedan atenuadas dentro de la zona con el gradiente y despu\u00e9s del mismo.Los puntos (b) y (c) son los puntos en los que posteriormente caracterizan la altura de las olas respecto al m\u00e1ximo inicial. Adaptado de la figura 2 <\/span>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Antes de iniciar el experimento, simulaciones empelando el m\u00e9todo de elementos finitos confirmaron que efectivamente, la geometr\u00eda del canal anulaba las ondas enviadas. Es f\u00e1cil ver que despu\u00e9s del paso por la zona de gradientes, una cierta parte de las olas se recupera, pero dentro de ese canal, no hay apenas alteraciones de la altura. Ser\u00eda esa zona la de \u00abinvisibilidad\u00bb para las olas, donde cualquier objeto situado en ellas no se mover\u00eda.<\/p>\n\n\n\n

Las peque\u00f1as olas que se muestran en los experimentos dentro del canal se deben sobre todo, a efectos no lineales(4) de la viscosidad, que en el modelo anal\u00edtico que resolvieron de la propagaci\u00f3n de las olas, no se tuvieron en cuenta.<\/p>\n\n\n\n

Para caracterizar el funcionamiento de este sistema a diversas frecuencias y amplitudes, midieron en los puntos (a)<\/em>, (b)<\/em> y (c)<\/em> de la figura anterior la amplitud total de las olas y la dividieron por la m\u00e1xima a la entrada en el dispositivo, obteniendo una medida directa de la atenuaci\u00f3n de las olas en el dispositivo de gradiente variable.<\/p>\n\n\n\n

Los datos, que se muestran en la figura siguiente,confirman que para varias longitudes de onda y frecuencias del oleaje artificial el dispositivo funciona, dado que aten\u00faa de manera clara el oleaje.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Disminuci\u00f3n de amplitud dentro del gradiente respecto a las olas externas para diversas amplitudes (izquierda) y frecuencias(derecha) de las olas de entrada. El color azul indica que los datos de amplitudes se tomaron en el punto (c)<\/strong> de la imagen anterior, mientras que los rojos en el punto (b)<\/strong>. Las estrellas indican valores simulados y los puntos, experimentales. Es f\u00e1cil ver que para todas las frecuencias y amplitudes medidas, la zona del gradiente aten\u00faa claramente las olas. Adaptado de la figura 3 <\/span>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Despu\u00e9s de comentar brevemente los resultados de sus experimentos y los l\u00edmites debidos a los efectos no lineales, concluyen el art\u00edculo diciendo que este tipo de gradiente podr\u00edan usarse en el dise\u00f1o y construcci\u00f3n de puertos que permitieran tener aguas tranquilas, casi independientemente de las condiciones del mar.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo sali\u00f3 publicado en la revista Physical Review Letters, en el volumen 123. Su t\u00edtulo es: \u00abBroadband Waveguide Cloak for Water Waves<\/a>\u00bb<\/p>\n\n\n\n

Notas:<\/h6>\n\n\n\n

(1) Como ejemplo, en el a\u00f1o 2011 en los Estados Unidos, el 53% de las importaciones y el 38% de las exportaciones entraron por mar, mientras que en el conjunto de la Uni\u00f3n Europea, cerca del 45% de las exportaciones y el 55% de la importaciones ase realizaron por transporte mar\u00edtimo. Fuentes: EEUU: Bureu of Transportation Statistics<\/a>. UE: Eurostat<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(2) Los metamateriales son objetos artificiales estructurados dise\u00f1ados con sus propiedades finales en mente, formados por conjunto de materiales muy diferentes entre si. Es decir, la mayor\u00eda de los materiales que se emplean por los seres humanos tiene algunas propiedades deseables y otras no tanto, con las que hay que lidiar de la mejor manera posible. Con los metamateriales, se dise\u00f1a desde el principio las caracter\u00edsticas que se desean. Una explicaci\u00f3n muy buena est\u00e1 en la Wikipedia en ingl\u00e9s: Wiki:Metamaterial<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(3) Metamateriales con gradiente de \u00edndice son materiales cuya estructura les causa tener un \u00edndice de refracci\u00f3n que var\u00eda de forma cont\u00ednua en el espacio del metamaterial. Como el \u00edndice de refracci\u00f3n controla como se propaga la luz para todas las frecuencias, al variar el \u00edndice de refracci\u00f3n, se var\u00eda la transmisi\u00f3n de la onda electromagn\u00e9tica de la luz. As\u00ed se logra \u00abatrapar\u00bb la luz en zonas espec\u00edficas o alterar su transmisi\u00f3n a trav\u00e9s de una fibra \u00f3ptica.<\/p>\n\n\n\n

(4) No linealidad: Generalmente, cundo un fen\u00f3meno f\u00edsico tiene que representarse con funciones que no pueden ser aproximadas por una recta, su uso y predicci\u00f3n se vuelve mucho m\u00e1s complicado porque peque\u00f1os cambios en los valores llevan a grandes efectos, dif\u00edciles de computar o calcular.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Adem\u00e1s de por su propio inter\u00e9s cient\u00edfico, hay razones extra para querer lograr que las ondas en el agua, las olas, desaparezcan en un determinado terreno, que es de lo que trata el art\u00edculo que comento aqu\u00ed. Cuando se hacen puertos y estructuras del estilo, donde los barcos deben atracar, el oleaje que se forme … Continuar leyendo \u00abCapa de invisibilidad para ondas en el agua\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":378,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2],"tags":[26,32],"class_list":["post-918","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-articulo-interesantes","tag-fisica-de-fluidos","tag-ingenieria"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/918","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/users\/378"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=918"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/918\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=918"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=918"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=918"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}