Hidrodinámica superficial en materia blandaTurbulencia de ondas y organización emergente

Resumen

El fenómeno de la turbulencia de ondas está presente en todas las escalas de la naturaleza físicamente concebibles, desde la turbulencia magnetohidrodinámica en astrofísica, la turbulencia atmosférica y oceánica o la turbulencia cuántica de ondas acústicas en súperfluidos. Se trata de una disciplina que trata de comprender el origen y la evolución de un gran conjunto de ondas no lineales en diferentes escenarios físicos. Desde hace varias décadas la teoría capaz de dar cuenta de la turbulencia de ondas ha avanzado considerablemente, abarcando el estudio de toda clase de campos aleatorios. Aun así, a día de hoy quedan muchas cuestiones pendientes relacionados con la emergencia de patrones en sistemas caóticos o la posibilidad de ejercer control sobre la propagación de ondas superficiales en fluidos. Esta tesis doctoral consiste en un conjunto de estudios sobre la dinámica superficial en líquidos y sólidos con determinadas propiedades mecánicas, donde se ha hecho especial hincapié en demostrar la universalidad de diferentes fenómenos de hidrodinámica no lineal de ondas o la posibilidad de controlar la emergencia de patrones y orden a través de sistemas caóticos. Con este fin, se ha estudiado la turbulencia de ondas capilares y gravitatorias en fluidos newtonianos que sirven como un ejemplo paradigmático para comprender procesos como la turbulencia débil bajo excitación monocromática y policromática. A su vez, este estudio nos ha permitido determinar el comportamiento universal de estas ondas en diferentes medios, donde, además, hemos determinado el espectro de turbulencia fuerte donde se dan cita fenómenos tales como ruptura de ondas, modulación azimutal o emergencia de estructuras coherentes. A su vez, exploramos la dinámica no lineal de ondas elásticas en superficies viscoelásticas cuyo análisis nos permite correlacionar la hidrodinámica superficial con las propiedades mecánicas de estos materiales. Se ha demostrado que las ondas elásticas poseen un espectro de turbulencia único y característico que constituye la huella dactilar de este fenómeno, el cual, a su vez, es independiente de la naturaleza del material viscoelástico en particular. Por último, estudiamos los diferentes escenarios de turbulencia en ondas paramétricas, donde nos encontramos que esta particular forma de excitar ondas superficiales permite observar simultáneamente fenómenos hidrodinámicos tales como la turbulencia híbrida, coherencia de fase o eyección de gotas. Se ha comprobado que transformando las propiedades físico-químicas de medios acuosos con la formación monocapas altamente rígidas, se pueden convertir unas superficies totalmente caóticas en otras ordenadas y simétricas, pudiendo ejercer control sobre la propagación, el tamaño y la morfología de las ondas superficiales. Finalmente, se ha demostrado que estas superficies organizadas, que hemos denominado cristales hidrodinámicos, poseen una compleja dinámica colectiva que posibilita la formación de los llamados cristales turbulentos.