Investigadores israelíes utilizan IA para explicar por qué partículas que se hunden pueden ascender brevemente en líquidos
Investigadores de la Universidad de Haifa y la Universidad de Tel Aviv analizaron 321 experimentos y utilizaron un sistema de IA para derivar una ecuación que describe cómo las partículas disminuyen su velocidad, permanecen en el agua y, en ocasiones, invierten su dirección al atravesar capas de líquido de diferente densidad.
Las partículas que se hunden en un líquido pueden desacelerarse drásticamente e incluso ascender brevemente al pasar entre capas de distinta densidad, según un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Haifa y la Universidad de Tel Aviv.
El estudio propone una nueva ecuación matemática que describe este movimiento inesperado. Desarrollada con la ayuda de un sistema de inteligencia artificial, la ecuación reprodujo la desaceleración de las partículas, su permanencia prolongada en la zona de transición entre las capas y, en algunos casos, la inversión temporal de su trayectoria.
«La importancia del estudio no radica solo en la ecuación obtenida, sino en la capacidad de describir mediante una única fórmula un fenómeno físico complejo que a los modelos anteriores les costaba explicar», afirmó el Dr. Teddy Lazebnik, del Departamento de Sistemas de Información de la Universidad de Haifa y del Departamento de Informática de la Universidad de Jönköping (Suecia), uno de los autores del estudio.
«La inteligencia artificial no sustituyó a los investigadores ni descubrió por sí misma una nueva ley de la naturaleza. Nos ayudó a realizar búsquedas dentro de un marco definido por datos experimentales y las leyes de la física, permitiéndonos llegar a una ecuación que puede comprenderse, verificarse e incorporarse a los modelos existentes».
Comprender el movimiento de partículas a través de líquidos compuestos por capas de distintas densidades es importante para estudiar tanto procesos naturales como artificiales, entre ellos la sedimentación en lagos y estuarios, la dispersión de contaminantes, el tratamiento de aguas residuales y la separación de materiales.
En un líquido uniforme, el hundimiento de una partícula suele describirse mediante la gravedad, el empuje hidrostático y la resistencia que ejerce el líquido.
El fenómeno se complica cuando una partícula pasa de una capa menos densa a una más densa. En la zona de transición, actúan sobre la partícula fuerzas adicionales que afectan a su velocidad y, en ocasiones, incluso a la dirección de su movimiento.
Los modelos anteriores han tenido dificultades para describir todas las etapas de dicho movimiento mediante una única ecuación.
En el nuevo estudio, Lazebnik, el profesor Alex Liberzon y el estudiante investigador Chen Mortenfeld, de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Tel Aviv, se propusieron identificar una expresión matemática explícita para la fuerza adicional que se genera cuando una partícula atraviesa capas de líquido, así como determinar si dicha expresión permitía describir el movimiento de las partículas con mayor precisión que los modelos existentes.
Una diminuta esfera metálica pasando entre dos capas de líquido.
Los investigadores analizaron 321 experimentos en los que esferas individuales de unos 10 milímetros de diámetro se hundían a través de un tanque que contenía una capa superior más ligera, una capa inferior más densa y una zona de transición entre ambas.
En algunos experimentos se utilizaron soluciones de agua y sal, mientras que en otros se emplearon mezclas más viscosas de agua y glicerol
Mediante el uso de cámaras de alta velocidad que grababan a hasta 500 fotogramas por segundo e iluminación láser, los investigadores siguieron la trayectoria de las esferas con una precisión de milésimas de milímetro.
Esto les permitió documentar el recorrido completo de cada esfera y calcular las variaciones en su velocidad y aceleración al pasar de una capa a otra.
Luego, los datos se introdujeron en SciMED, un sistema de inteligencia artificial desarrollado bajo la dirección de Lazebnik que busca fórmulas matemáticas explícitas capaces de ajustarse tanto a los datos experimentales como a las leyes físicas.
De entre las fórmulas propuestas por el sistema, los investigadores seleccionaron una que no solo se ajustaba a los datos, sino que también conservaba simplicidad matemática y lógica física. Posteriormente, la compararon con un modelo existente que describe la fuerza adicional mediante una variable matemática conocida como «masa virtual».
En 272 de los experimentos — es decir, el 84,7% de todas las trayectorias registradas — la esfera redujo su velocidad tras pasar entre las capas y luego retomó su velocidad de hundimiento habitual. La nueva ecuación indica que la fuerza adicional no actúa en un único instante; por el contrario, se desarrolla gradualmente y a veces puede oscilar, un patrón que podría explicar por qué la esfera es capaz de invertir temporalmente su dirección.
La mejora respecto al modelo existente fue especialmente notable en las trayectorias que implicaban una desaceleración prolongada o un cambio de dirección, así como en la predicción del tiempo que las esferas permanecían en la zona de transición. «La ventaja de una ecuación explícita es que no solo obtenemos una predicción», señaló Liberzon. «Podemos observar cómo varía la fuerza con el tiempo y comprender el mecanismo que actúa en la región de transición».
«Si la ecuación se valida bajo condiciones adicionales, podría mejorar las predicciones sobre el movimiento y la acumulación de sedimentos y contaminantes, además de facilitar procesos como el tratamiento de aguas residuales y la separación de materiales».
Los investigadores resaltan que la ecuación se probó únicamente dentro de un rango definido de tamaños de partícula y condiciones de flujo, por lo que aún no debe considerarse una ley general aplicable a cualquier sistema.
Traducción por: El Consulado General H. de Israel en Guayaquil
Fuente: YnetNews
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