La turbolenza non è solo presente in natura, comunque la si guardi, ma è molto necessaria in molte situazioni: per miscelare meglio fluidi diversi (ecco perché scuotiamo caffè e latte per mescolarli), oppure per creare un maggiore trasferimento di calore tra liquidi (agitiamo anche il caffè per farlo raffreddare più velocemente), ecc. In meteorologia esistono anche e sono chiamati Vortici di von Karman.
In questo articolo spiegheremo tutto ciò che devi sapere sui dumper Von Karma, le loro caratteristiche e l'importanza.
Proprietà del vortice di Von Karma
Per cominciare, dobbiamo conoscere le proprietà che definiscono un fluido e la sua dinamica. Densità, pressione o temperatura sono variabili che più o meno tutti conosciamo. Sulla base di essi e dei loro effetti, qualsiasi movimento o dinamica di un fluido può essere spiegato, per quanto complicato possa essere:
instabilità
Immagina un flusso d'aria che colpisce una sfera; se la velocità dell'aria è bassa, troviamo che l'aria si muove "fluidamente" intorno e dietro la palla; questo dorso è anche chiamato "a valle" o "coda" del flusso d'acqua.
In questo caso il flusso si chiama laminare, cioè: i vortici o turbolenze in genere non si apprezzano, la verità è che senza turbolenza tutto sarebbe noioso, infatti anche le equazioni di Navier-Stokes possono applicazioni in psicologia, crowd control o la progettazione di sistemi di evacuazione pedonale negli stadi, ecc., tutto è più semplice se non ci sono turbolenze.
Supponiamo ora che ogni molecola d'aria segua un'altra molecola d'aria, e così via; ci sono un numero infinito di molecole lungo una linea liscia. Immaginiamo che, per qualsiasi "ragione", ci sia improvvisamente una molecola che non segue questo schema dinamico, cioè esca dalla traiettoria "normale", anche se molto raramente; tecnicamente parlando, si dice che avvenga "instabile". Questa instabilità è l'inizio della turbolenza; Da quel momento in poi i cambi di traiettoria si susseguono logicamente, poiché una molecola spinge l'altra a cambiare direzione, e così via. "ragione" perché in primo luogo.
Le traiettorie molecolari possono essere molto, molto diverse: variazioni molto sottili di temperatura, pressione o densità, anche le più comuni di origine sconosciuta
A seconda della geometria o della struttura che si forma successivamente, l'instabilità riceve i seguenti nomi:
- Instabilità di Kelvin-Helmholtz: Può verificarsi nel flusso all'interno di un fluido continuo come aria o acqua, o all'interfaccia di due fluidi o due strati dello stesso fluido che si muovono a velocità diverse.
- Instabilità di Rayleigh-Taylor: Importante nella "caduta" (collasso) o discesa di aria fredda dall'alta atmosfera. Anche nel "brusco" aumento dell'aria calda.
Viscosità
La viscosità è probabilmente ben nota perché tutti paragonano l'acqua al miele o alla lava, ad esempio, deducendo quale sia la viscosità. Immaginiamo da un'altra angolazione: supponiamo di essere a un semaforo con veicoli davanti e dietro; quando il semaforo diventa verde, abbiamo bisogno di un po' di tempo per muoverci; quindi: la viscosità è come il tempo di reazione tra ciascun vettore reciproco (1/tempo di reazione); maggiore è la viscosità, minore è il tempo di reazione; cioè, tutti i fluidi tendono a muoversi all'unisono o insieme.
La viscosità è spesso considerata come la forza di attrito tra le molecole in un fluido. Maggiore è l'attrito, maggiore è la viscosità. Tra l'altro, questa forza è la ragione dell'esistenza dello strato limite: più l'aria è vicina alla superficie, minore è la sua velocità (nell'immagine sotto, la freccia corta indica la velocità più bassa).
Ad esempio, i parapendisti e anche i piloti di aeroplani sanno che quando il vento soffia (pericolosamente) forte, possono scendere, perché essere "a filo" con gli alberi riduce notevolmente la loro forza.
Continuando con l'esempio della palla di cui abbiamo parlato prima, ad esempio, se il flusso d'aria sopra l'ala è completamente laminare e non c'è uno strato limite (che già sappiamo è lo stesso di dire assenza di viscosità), non c'è differenza di pressione tra la parte superiore e la parte inferiore dell'ala, quindi non c'è portanza; l'aereo non può volare; è così facile. Volare è completamente impossibile, ma fortunatamente la viscosità è sempre lì. Inoltre, senza viscosità, non causerebbero turbolenza nonostante l'instabilità.
Aggregazione di materia per bassa pressione
Quando una particella (come una molecola d'aria) è a bassa pressione, la attrae con un'accelerazione data dalla variazione di pressione divisa per la densità. Con l'alta pressione succede il contrario, respinge o spinge.
In meteorologia, le zone di alta pressione sono dette anticicloni, mentre cicloni o tempeste (cicloni extratropicali solo in casi particolari) Sono chiamate zone di bassa pressione.. Tutta l'aria nell'atmosfera o tutta l'acqua negli oceani della Terra si muove a causa di queste differenze di pressione. La pressione è la madre di tutte le proprietà; infatti, molte altre variabili influenzano le variazioni di pressione: densità, temperatura, viscosità, gravità, forze di Coriolis, inerzie varie, ecc.; infatti quando una molecola d'aria si muove, lo fa perché la molecola che la precede ha lasciato una regione di bassa pressione, la regione tende a riempirsi immediatamente
Abbiamo visto cause o instabilità che insorgono in media come l'atmosfera o l'oceano, formando determinate geometrie, una di queste - oggetto di questo lavoro - sono i cosiddetti vortici di Von Karman. Ora, una volta comprese le cause e le variabili che interferiscono con tutta la dinamica di qualsiasi fluido, siamo pronti per conoscere questa geometria molto specifica.
Quando il flusso d'aria circola intorno a qualsiasi geometria, si evolve attorno ad essa, portando all'instabilità, come abbiamo già visto, formando turbolenza; queste turbolenze hanno tipi e forme praticamente infinite; la maggior parte di essi non sono periodici; cioè, non si ripetono in tempo. o spazio, ma alcuni lo fanno. Questo è il caso dei già citati vortici di Von Karman.
Si formano in condizioni di velocità dell'aria molto specifiche e in determinate dimensioni dell'oggetto che funge da ostacolo.
Spero che con queste informazioni possiate saperne di più sui vortici di Von Karman, le loro caratteristiche e l'importanza in meteorologia.