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Investigador en Dinámica de Fluidos y Acústica Experimental
Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT)
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
Comprendiendo el mundo a través de la evidencia experimental
Comprendiendo el mundo a través de la evidencia experimental
Sobre mí
Sobre mí
Mi interés por la mecánica de fluidos experimental nació durante mis años de licenciatura en Ingeniería Mecánica en la UNAM. Al final del curso de Medios Continuos conocí las ecuaciones de Navier-Stokes. Quedé fascinado al descubrir que no eran otra cosa que la segunda ley de Newton expresada de una manera tan general. Cada uno de sus términos contenía información sobre distintos fenómenos físicos: la aceleración temporal y espacial, la disipación de energía, el potencial gravitatorio, entre otros. Todo estaba ahí, incluso ideas que en ese momento me resultaban inalcanzables, como el origen del caos en el término advectivo o la naturaleza del cambio continuo que va de la mano con la dialéctica filosófica.
Por meses busqué a alguien que pudiera enseñarme cómo resolver las ecuaciones de Navier–Stokes, un desafío tan profundo que incluso las matemáticas parecían quedarse sin herramientas para responder si existía una solución general. Entonces, en la lista de cursos apareció el nombre de Roberto Zenit. Él tenía un laboratorio con técnicas experimentales como video de alta velocidad, velocimetría por imágenes de partículas (PIV) y anemometría de hilo caliente.
Fue él quien me enseñó que es la naturaleza misma la que lleva en sus cimientos los comportamientos que intentamos expresar en ecuaciones; que es a ella a quien debemos preguntar cómo resuelve los problemas, siempre en armonía con sus propias reglas. Comprendí que la experimentación es el medio para entablar un diálogo con la naturaleza, y que aprender a interpretar los resultados experimentales forma parte esencial de aprender su lenguaje.
Ese lenguaje —hecho de observación, medición y reflexión— es el que sigo explorando como investigador y que ahora deseo transmitir a la siguiente generación de investigadores.
Sobre los temas de investigación que desarrollo
Sobre los temas de investigación que desarrollo
Mi investigación explora cómo utilizar las herramientas de la mecánica de fluidos y la acústica para entender y mejorar el uso de la energía en diferentes sistemas, así como la propulsión en diversas escalas. Usando técnicas experimentales avanzadas como grabación de video a alta velocidad, fluorescencia inducida por láser plano, método Schlieren, fotografía de sombras y técnicas de velocimetría basadas en partículas (PIV/PTV), se estudian flujos, sonidos y su interacción en espacios confinados.
Una aportación central de mi trabajo en la UNAM es el descubrimiento y la caracterización de un modo resonante de baja frecuencia en recintos diminutos, como cavidades. Este fenómeno tiene potencial de utilizarse en aplicaciones diversas que abarcan desde la propulsión aeroespacial, la gestión térmica en turbomáquinas, hasta la compresión de la dinámica de cajas de resonancia de instrumentos musicales. Uno de mis proyectos actuales busca entender la física de la propulsión con hélices en situaciones con números de Reynolds intermedios. Esto servirá como base para nuevos sistemas de energía y flujo desde una perspectiva experimental. También estoy interesado en modos resonantes, cajas de resonancia de instrumentos musicales, simular la dinámica de la eyección estocástica de fragmentos, como ocurre en volcanes, visualizar la dinámica al interior de tubos de Rijke, así como desarrollar técnicas experimentales de bajo costo, al alcance de escuelas y universidades con menor acceso a recursos.
Trayectoria académica
Trayectoria académica
Licenciatura en Ingeniería Mecánica en la Facultad de Ingeniería de la UNAM (2001-2008).
Maestría en el posgrado de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UNAM (2009-2011).
Doctorado en el grupo de Physics of Fluids de la Universiteit Twente de los Países Bajos (2011-2015).
Postdoc en King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) del Reino de Arabia Saudita (2015-2018).
Investigador en el ICAT-UNAM (desde 2018)
Técnicas experimentales implementadas en el ICAT-UNAM
Técnicas experimentales implementadas en el ICAT-UNAM
Grabación de video a alta velocidad
Grabación de video a alta velocidad
La grabación de video a alta velocidad es una técnica usada en mecánica de fluidos experimental que se utiliza para capturar fenómenos de flujo rápido que ocurren en escalas de tiempo de milisegundos o incluso microsegundos. Al registrar miles de fotogramas por segundo (fps), este método nos permite visualizar y cuantificar eventos transitorios como la formación de chorros, la eyección de gotas, el desprendimiento de vórtices o las interacciones de choque. Las secuencias de imágenes resultantes se pueden procesar para extraer campos de velocidad, frecuencias de oscilación y estructuras de flujo, a menudo en combinación con otras herramientas de diagnóstico como la iluminación láser o la velocimetría basada en partículas. Esta técnica proporciona información cuantitativa sobre el comportamiento del flujo, lo que permite un análisis detallado de las interacciones complejas fluido-estructura y fluido-acústica. Podemos grabar video de alta velocidad hasta a 24 mil fps. Abajo unos ejemplos grabados en el laboratorio.
Encendedor
Encendedor
Chispa y flama de un encendedor grabado a 1000 fps y reproducido a 30 fps. El video está ralentizado más de 30 veces. El inicio de la chispa es un problema fundamental estudiado en motores de combustión.
Trompetilla
Trompetilla
Trompetilla grabada a 2142 fps y reproducida a 30 fps. El video está ralentizado más de 70 veces. Esta oscilación es la base del mecanismo de doble caña, necesario para producir sonido con instrumentos musicales como la trompeta o el corno francés.
Globo ponchado
Globo ponchado
Globo lleno de agua ponchado con un alfiler en el lado izquierdo. Video grabado a 7135 fps y reproducido a 10 fps. El fenómeno fue ralentizado más de 700 veces. La intención fue observar la dinámica de fractura de un material viscoelástico y además divertirse.
Fluorescencia inducida por láser plano
Fluorescencia inducida por láser plano
La fluorescencia inducida por láser plano (PLIF por sus siglas en inglés) es una técnica de visualización utilizada en mecánica de fluidos para observar el comportamiento interno de flujos complejos. En este método, se hace pasar una fina lámina de luz láser a través del fluido, que contiene una pequeña cantidad de un colorante fluorescente. Cuando las moléculas del colorante absorben esta luz, emiten luz de un color diferente que puede ser registrada por una cámara. Esto permite visualizar una sección transversal bidimensional del flujo, revelando cómo se mezclan, dispersan o mueven los fluidos en tiempo real. Al analizar el brillo y la distribución de la fluorescencia, incluso se puede obtener información cuantitativa sobre propiedades como la concentración o la temperatura.
Tren de vórtices
Tren de vórtices
Tren de vórtices expulsado de un Actuador de Chorro Sintético (SJA por sus siglas en inglés) visualizado a través de cámara de alta velocidad y un láser plano diseñado y fabricado en el ICAT.
Expulsión estocástica de gotas
Expulsión estocástica de gotas
Gotas expulsadas periódicamente de los bordes de un contenedor metálico en resonancia.
Vórtice de borde
Vórtice de borde
Vórtice de borde que se forma en el borde de camiones de carga. El experimento se realizó con un modelo y gotas de vapor de agua.
Fotografías de sombras
Fotografías de sombras
La fotografía de sombras es una técnica sencilla pero eficaz utilizada en varias áreas, incluida la mecánica de fluidos, para visualizar objetos. En este método, una fuente de luz brillante atraviesa el flujo y proyecta su sombra sobre una pantalla o un sensor de cámara. Aunque pueda parecer una visualización básica, la fotografía de sombras puede proporcionar información cualitativa y cuantitativa valiosa sobre características del flujo que, de otro modo, serían invisibles a simple vista.
Péndulo con rastreo
Péndulo con rastreo
Este video fue grabado con una cámara Arduino (diseño abierto) que graba hasta a 210 fps. La fuente de luz fue diseñada en el ICAT para evitar parpadeo.
Fotografía Schlieren
Fotografía Schlieren
La fotografía Schlieren es una técnica que permite visualizar variaciones en la densidad en medios fluidos. Por lo general, estas variaciones son invisibles a simple vista. Cuando la luz atraviesa un fluido con densidad variable, como el aire calentado por una llama o un gas que se mueve a alta velocidad, se desvía ligeramente, un fenómeno conocido como refracción. El sistema Schlieren utiliza lentes, espejos y un filtro de borde afilado para detectar estos minúsculos cambios en la dirección de la luz, transformándolos en patrones brillantes y oscuros que revelan la estructura de ondas de choque, plumas térmicas y campos acústicos. Este método permite a los investigadores observar cómo se mueven e interactúan los fluidos sin necesidad de introducir sondas que puedan perturbar el flujo. En nuestro laboratorio, la imagen Schlieren se combina con cámaras de alta velocidad para capturar con excepcional nitidez fenómenos rápidos y transitorios en mecánica de fluidos y acústica.
Contamos con espejos parabólicos de 15, 20 y 30 cm para implementar esta técnica.
Encendedor
Encendedor
En este ejemplo de fotografía Schlieren a alta velocidad se observan los cambios de densidad debido, primero, a la presencia de gas butano, y, segundo, debido a una flama.
Velocimetría por imágenes de partículas (PIV)
Velocimetría por imágenes de partículas (PIV)
La velocimetría por imágenes de partículas (PIV por sus siglas en inglés) es una técnica experimental que permite a los investigadores medir campos de velocidad completos en un fluido sin necesidad de insertar sondas que alteran el flujo. En esta técnica, se introducen diminutas partículas en el flujo, las cuales siguen fielmente el movimiento del fluido. Una hoja láser ilumina estas partículas en un plano específico, y se capturan dos imágenes en rápida sucesión mediante una cámara de alta velocidad o sincronizada. Al comparar el movimiento de las partículas entre las dos imágenes, podemos calcular los vectores de velocidad locales en todo el campo de visión. El resultado es un mapa detallado de la estructura del flujo, que muestra vórtices, chorros y otras características dinámicas, que nos ayuda a comprender cómo se transportan el momento y la energía en los fluidos. La PIV es una de las herramientas cuantitativas clave en nuestro laboratorio para el estudio de flujos inestables y resonantes.
Campo de velocidades
Campo de velocidades
Campo de velocidades de un anillo de vorticidad estimado utilizando PIV en la sección transversal de un flujo producido por una botella de cabeza que se aprieta dentro de un tanque de agua.
Velocimetría por rastreo de partículas (PTV)
Velocimetría por rastreo de partículas (PTV)
La velocimetría por rastreo de partículas (PTV por sus siglas en inglés) es una técnica complementaria a la PIV que se centra en el seguimiento individual de las partículas dentro de un fluido. En lugar de medir desplazamientos promedio en pequeñas regiones, la PTV rastrea las trayectorias exactas de numerosas partículas a lo largo del tiempo. Esto proporciona información muy detallada sobre las trayectorias, velocidades y aceleraciones de los elementos del fluido, revelando la estructura fina de flujos complejos o turbulentos. Debido a que captura el comportamiento de partículas individuales, la PTV es especialmente útil para estudiar el movimiento tridimensional, las inestabilidades del flujo o casos con gradientes de velocidad intensos. En nuestro laboratorio, la PTV se utiliza junto con imágenes de alta velocidad para relacionar los patrones visuales de un flujo con el movimiento cuantitativo preciso del fluido.
Rastreo estocástico de gotas
Rastreo estocástico de gotas
Rastreo de gotas expulsadas de los bordes de un contenedor metálico en resonancia, grabado a más de 2 mil cuadros por segundo.
Parte del grupo de Acústica Física y Dinámica de Fluidos
Parte del grupo de Acústica Física y Dinámica de Fluidos
Creado en 2024 en el Laboratorio de Acústica y Vibraciones del ICAT-UNAM
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