Turbulencja występuje nie tylko w przyrodzie, jakkolwiek na nią patrzysz, ale jest bardzo potrzebna w wielu sytuacjach: aby lepiej wymieszać różne płyny (dlatego potrząsamy kawą i mlekiem, aby je wymieszać), lub stworzyć większy transfer ciepła między płyny (także potrząśnimy kawą, aby szybciej ostygła) itp. W meteorologii one również istnieją i są nazywane Wiry von Karmana.
W tym artykule wyjaśnimy wszystko, co musisz wiedzieć o wywrotkach Von Karma, ich właściwościach i znaczeniu.
Właściwości wiru von Karmy
Na początek musimy znać właściwości określające płyn i jego dynamikę. Gęstość, ciśnienie lub temperatura to zmienne, które wszyscy mniej lub bardziej znamy. Na ich podstawie i ich skutkach można wyjaśnić każdy ruch lub dynamikę płynu, bez względu na to, jak skomplikowane może to być:
Niestabilność
Wyobraź sobie strumień powietrza uderzający w kulę; jeśli prędkość powietrza jest niska, stwierdzamy, że powietrze porusza się „płynnie” wokół piłki i za nią; ten tył jest również nazywany „dolnym” lub „ogonem” przepływu wody.
W tym przypadku przepływ nazywa się laminarnym, to znaczy: wiry lub ogólnie zwane turbulencje nie są doceniane, prawda jest taka, że bez turbulencji wszystko byłoby nudne, w rzeczywistości nawet równania Naviera-Stokesa mogą być stosowane w psychologii, kontroli tłumu lub projektowanie systemów ewakuacji pieszych na stadionach itp. wszystko jest łatwiejsze, jeśli nie ma turbulencji.
Załóżmy teraz, że każda cząsteczka powietrza podąża za inną cząsteczką powietrza i tak dalej; wzdłuż gładkiej linii znajduje się nieskończona liczba cząsteczek. Wyobraźmy sobie, że z jakiegokolwiek „powodu” nagle pojawia się cząsteczka, która nie podąża za tym dynamicznym wzorem, to znaczy opuszcza „normalną” trajektorię, choć bardzo rzadko; technicznie rzecz biorąc, mówi się, że dzieje się to „niestabilne”. Ta niestabilność jest początkiem turbulencji; Od tego momentu zmiany trajektorii następują po sobie logicznie, ponieważ jedna cząsteczka popycha drugą do zmiany kierunku i tak dalej. „powód”, dlaczego w pierwszej kolejności.
Trajektorie molekularne mogą być bardzo, bardzo zróżnicowane: bardzo subtelne zmiany temperatury, ciśnienia czy gęstości, nawet te najczęstsze niewiadomego pochodzenia
W zależności od geometrii lub struktury, która następnie się utworzy, niestabilność otrzymuje następujące nazwy:
- Niestabilność Kelvina-Helmholtza: Może wystąpić w przepływie w ciągłym płynie, takim jak powietrze lub woda, lub na styku dwóch płynów lub dwóch warstw tego samego płynu poruszających się z różnymi prędkościami.
- Niestabilność Rayleigha-Taylora: Ważne przy „opadaniu” (zapadaniu się) lub opadaniu zimnego powietrza z górnych warstw atmosfery. Nawet przy „ostrym” wzniesieniu gorącego powietrza.
Lepkość
Lepkość jest prawdopodobnie dobrze znana, ponieważ każdy porównuje wodę do miodu lub lawy, na przykład wnioskując, jaka jest lepkość. Wyobraźmy sobie z innego punktu widzenia: przypuśćmy, że jesteśmy na światłach z pojazdami z przodu iz tyłu; gdy sygnalizacja świetlna zmieni kolor na zielony, potrzebujemy trochę czasu na przeprowadzkę; wtedy: lepkość jest jako czas reakcji pomiędzy każdym odwrotnym nośnikiem (1/czas reakcji); im wyższa lepkość, tym krótszy czas reakcji; to znaczy, że wszystkie płyny mają tendencję do poruszania się zgodnie lub razem.
Lepkość jest często uważana za siłę tarcia między cząsteczkami w płynie. Im wyższe tarcie, tym wyższa lepkość. Między innymi siła ta jest przyczyną istnienia warstwy przyściennej: im bliżej powierzchni znajduje się powietrze, tym jego prędkość jest mniejsza (na poniższym obrazku krótka strzałka wskazuje najmniejszą prędkość).
Na przykład paralotniarze, a nawet piloci samolotów wiedzą, że gdy wiatr wieje (niebezpiecznie) mocno, mogą zniżać się, ponieważ bycie „zlicowanym” z drzewami znacznie zmniejsza ich siłę.
Kontynuując przykład z piłką, o którym wspomnieliśmy wcześniej, na przykład, jeśli przepływ powietrza nad skrzydłem jest całkowicie laminarny i nie ma warstwy granicznej (co już wiemy, to to samo, co powiedzenie o braku lepkości), nie ma różnicy ciśnień między górnym i dół skrzydła, więc nie ma windy; samolot nie może latać; To takie proste. Latanie jest całkowicie niemożliwe, ale na szczęście lepkość jest zawsze. Ponadto bez lepkości nie powodowałyby turbulencji pomimo niestabilności.
Agregacja materii pod niskim ciśnieniem
Kiedy cząsteczka (taka jak cząsteczka powietrza) znajduje się pod niskim ciśnieniem, przyciąga ją przyspieszeniem wynikającym ze zmiany ciśnienia podzielonej przez gęstość. Przy wysokim ciśnieniu dzieje się odwrotnie, odpycha lub popycha.
W meteorologii obszary wysokiego ciśnienia nazywane są antycyklonami, natomiast cyklony lub burze (cyklony pozazwrotnikowe tylko w szczególnych przypadkach) Nazywane są strefami niskiego ciśnienia.. Całe powietrze w atmosferze lub cała woda w oceanach Ziemi porusza się z powodu tych różnic ciśnień. Presja jest matką wszystkich właściwości; w rzeczywistości na zmiany ciśnienia wpływa wiele innych zmiennych: gęstość, temperatura, lepkość, grawitacja, siły Coriolisa, różne bezwładności itp.; w rzeczywistości, gdy cząsteczka powietrza się porusza, dzieje się tak, ponieważ poprzedzająca ją cząsteczka opuściła obszar niskiego ciśnienia, obszar ten ma tendencję do natychmiastowego wypełniania
Widzieliśmy przyczyny lub niestabilności, które powstają w mediach, takich jak atmosfera lub ocean, tworząc pewne geometrie, jedną z nich - przedmiotem tej pracy - są tak zwane wiry Von Karmana. Teraz, kiedy zrozumiemy przyczyny i zmienne, które zakłócają całą dynamikę dowolnego płynu, jesteśmy gotowi poznać tę bardzo specyficzną geometrię.
Gdy strumień powietrza krąży wokół dowolnego geometria, ewoluuje wokół niej, prowadząc do niestabilności, jak już widzieliśmy, tworzące turbulencje; turbulencje te mają praktycznie nieskończone typy i formy; większość z nich nie jest okresowa; to znaczy, że nie powtarzają się w czasie. lub przestrzeń, ale niektórzy to robią. Tak jest w przypadku wspomnianych wirów Von Karmana.
Tworzą się w bardzo określonych warunkach prędkości lotu i określonych wymiarach obiektu, stanowiąc przeszkodę.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom można dowiedzieć się więcej o wirach Von Karmana, ich charakterystyce i znaczeniu w meteorologii.