La turbulència no només és present a la natura, es miri com es miri, sinó que és molt necessària en moltes situacions: per barrejar millor diferents fluids (per això agitem el cafè i la llet per barrejar-los), o per crear una major transferència de calor entre líquids (també agitem el cafè perquè es refredi més ràpid), etc. A la meteorologia també existeixen i són anomenats vòrtexs de Von Karman.
En aquest article t'explicarem tot el que necessita saber sobre els volquets de Von Karma, les seves característiques i la seva importància.
Propietats dels vòrtexs de Von Karma
Per començar, hem de conèixer les propietats que defineixen un fluid i la seva dinàmica. La densitat, la pressió o la temperatura són variables que tots més o menys coneixem. En base a elles i els seus efectes es pot explicar qualsevol moviment o dinàmica d'un fluid, per complicada que sigui:
inestabilitat
Imaginem un corrent d'aire xocant contra una esfera; si la velocitat de l'aire és baixa, ens adonem que l'aire es mou suaument al voltant i darrere de la pilota; aquesta esquena també s'anomena «aigües avall» o «cua» del flux d'aigua.
En aquest cas el flux se l'anomena laminar, és a dir: no s'aprecien remolins o generalment anomenats turbulències, el cert és que sense turbulències tot seria avorrit, de fet fins i tot les equacions de Navier-Stokes poden aplicar-se Aplicacions en psicologia, control de multituds o el disseny de sistemes d'evacuació de vianants a estadis, etc., tot és més fàcil si no hi ha turbulències.
Ara suposem que cada molècula d'aire segueix una altra molècula d'aire, i així successivament; hi ha un nombre infinit de molècules al llarg duna línia uniforme. Imaginem que, per la «raó que sigui», de cop i volta hi ha una molècula que no segueix aquest patró dinàmic, és a dir, surt de la trajectòria «normal», encara que molt rarament; tècnicament parlant, es diu que passa «inestable». Aquesta inestabilitat és el començament de la turbulència; a partir d'aquell moment, els canvis a les trajectòries se succeeixen lògicament, ja que una molècula empeny l'altra a canviar de direcció, i així successivament. raó per què en primer lloc.
Les trajectòries moleculars poden ser molt diverses: canvis molt subtils de temperatura, pressió o densitat, fins i tot els més comuns d'origen desconegut
Depenent de la geometria o estructura que es formi a continuació, la inestabilitat rep els noms següents:
- Inestabilitat de Kelvin-Helmholtz: Pot passar al flux dins d'un fluid continu com l'aire o l'aigua, oa la interfície de dos fluids o dues capes del mateix fluid que es mouen a diferents velocitats.
- Inestabilitat de Rayleigh-Taylor: Important a la «caiguda» (col·lapse) o descens de l'aire fred de l'atmosfera superior. Fins i tot a l'ascens «agut» de l'aire calent.
Viscositat
La viscositat probablement és ben coneguda perquè tothom compara l'aigua amb la mel o la lava, per exemple, inferint què és la viscositat. Imaginem-nos des d'un altre angle: Suposem que estem en un semàfor amb vehicles davant i darrere; quan el semàfor es posa verd, necessitem un temps per moure'ns; aleshores: la viscositat és com el temps de reacció entre cada portador recíproc (1/reacció temps); com més gran és la viscositat, menor és el temps de reacció; és a dir, tots els fluids tendeixen a moure's a l'uníson o junts.
La viscositat es considera sovint la força de fricció entre les molècules d'un fluid. Com més gran sigui la fricció, més gran serà la viscositat. Entre altres coses, aquesta força és la raó de l'existència de la capa límit: com més a prop hi ha l'aire de la superfície, més baixa és la seva velocitat (a la imatge de baix, la fletxa curta indica la velocitat més lenta).
Per exemple, els parapentistes i fins i tot els pilots d'avions saben que quan el vent bufa fort (perillosament), poden baixar, perquè en estar “arran” dels arbres, la seva força es redueix considerablement.
Continuant amb l'exemple de la pilota que esmentem anteriorment, per exemple, si el flux d'aire sobre l'ala és completament laminar i no hi ha cap cap límit (que ja sabem que és el mateix que dir que no hi ha viscositat), no hi ha diferència de pressió entre el dalt i baix de l'ala, per la qual cosa no hi ha sustentació; l'avió no pot volar; és així de simple. Volar és completament impossible, però, afortunadament, l'enganxositat sempre hi és. A més, sense viscositat, no provocarien turbulència malgrat la inestabilitat.
Agregació de matèria per baixa pressió
Quan una partícula (com una molècula d'aire) està a baixa pressió, l'atreu amb una acceleració donada pel canvi de pressió dividit per la densitat. Amb la pressió alta passa el contrari, repel·leix o empeny.
En meteorologia, les zones d'alta pressió s'anomenen anticiclons, mentre que els ciclons o tempestes (ciclons extratropicals només en casos especials) es denominen zones de baixa pressió. Tot l'aire de l'atmosfera o tota l'aigua dels oceans de la Terra es mou per aquestes diferències de pressió. La pressió és la mare de totes les propietats; de fet, moltes altres variables afecten els canvis de pressió: densitat, temperatura, viscositat, gravetat, forces de Coriolis, diverses inèrcies, etc.; de fet, quan una molècula d'aire es mou, ho fa perquè la molècula que la precedeix ha deixat una regió de baixa pressió, la regió tendeix a omplir-se immediatament
Hem vist causes o inestabilitats que sorgeixen en mitjans com l'atmosfera o l'oceà, formant certes geometries, una d'elles –el tema d'aquest treball– són els anomenats vòrtexs de Von Karman. Ara, una vegada entenem les causes i variables que interfereixen amb tota la dinàmica de qualsevol fluid, estem preparats per aprendre sobre aquesta geometria tan específica.
Quan el flux d'aire circula al voltant de qualsevol geometria, evoluciona al seu voltant, fet que porta a la inestabilitat, com ja hem vist, formant turbulències; aquestes turbulències tenen pràcticament infinits tipus i formes; la majoria no són periòdiques; és a dir, no es repeteixen en el temps. o l'espai, però alguns ho fan. Aquest és el cas de l'esmentat dels vòrtexs de Von Karman.
Es formen sota condicions de velocitat de l'aire molt específiques i certes dimensions de l'objecte que actuen com a obstacle.
Espero que amb aquesta informació puguin conèixer més sobre els vòrtexs de Von Karman, les seves característiques i importància a la meteorologia.