Turbulența nu este prezentă doar în natură, oricum te-ai uita la ea, dar este foarte necesară în multe situații: pentru a amesteca mai bine diferite fluide (de aceea agităm cafeaua și laptele pentru a le amesteca), sau pentru a crea un transfer mai mare de căldură între lichide (se agită și cafeaua pentru a se răci mai repede) etc. În meteorologie există și ele și se numesc Vortexurile Von Karman.
În acest articol vom explica tot ce trebuie să știți despre basculantele Von Karma, caracteristicile și importanța acestora.
Proprietățile vortexului Von Karma
Pentru început, trebuie să cunoaștem proprietățile care definesc un fluid și dinamica acestuia. Densitatea, presiunea sau temperatura sunt variabile pe care le cunoaștem cu toții mai mult sau mai puțin. Pe baza acestora și a efectelor lor, orice mișcare sau dinamică a unui fluid poate fi explicată, oricât de complicată ar fi:
variabilitate
Imaginează-ți un curent de aer care lovește o sferă; dacă viteza aerului este mică, constatăm că aerul se mișcă „liniște” în jurul și în spatele mingii; acest spate mai este numit și „în aval” sau „coada” fluxului de apă.
În acest caz, fluxul se numește laminar, adică nu se apreciază turbulențe sau în general numite turbulențe, adevărul este că fără turbulențe totul ar fi plictisitor, de fapt chiar și ecuațiile Navier-Stokes pot aplica aplicații în psihologie, controlul mulțimilor sau proiectarea sistemelor de evacuare a pietonilor în stadioane etc., totul este mai ușor dacă nu sunt turbulențe.
Acum să presupunem că fiecare moleculă de aer urmează o altă moleculă de aer și așa mai departe; există un număr infinit de molecule de-a lungul unei linii netede. Să ne imaginăm că, indiferent de „motiv”, există dintr-o dată o moleculă care nu urmează acest tipar dinamic, adică părăsește traiectoria „normală”, deși foarte rar; tehnic vorbind, se spune că se întâmplă „instabil”. Această instabilitate este începutul turbulențelor; Din acel moment, modificările traiectoriilor se succed logic, deoarece o moleculă o împinge pe cealaltă să schimbe direcția și așa mai departe. „motivul” de ce în primul rând.
Traiectoriile moleculare pot fi foarte, foarte diverse: modificări foarte subtile de temperatură, presiune sau densitate, chiar și cele mai frecvente de origine necunoscută
În funcție de geometria sau structura care se formează în continuare, instabilitatea primește următoarele denumiri:
- Instabilitatea Kelvin-Helmholtz: Poate apărea în flux într-un fluid continuu, cum ar fi aerul sau apa, sau la interfața a două fluide sau a două straturi ale aceluiași fluid care se mișcă la viteze diferite.
- Instabilitatea Rayleigh-Taylor: Important în „căderea” (colapsul) sau coborârea aerului rece din atmosfera superioară. Chiar și în creșterea „ascuțită” a aerului fierbinte.
Viscozitate
Vâscozitatea este probabil bine cunoscută deoarece toată lumea compară apa cu miere sau lavă, de exemplu, deducând ce este vâscozitatea. Să ne imaginăm dintr-un alt unghi: Să presupunem că suntem la un semafor cu vehicule în față și în spate; când semaforul devine verde, avem nevoie de ceva timp să ne mișcăm; atunci: vâscozitatea este ca timpul de reacție între fiecare purtător reciproc (1/timp de reacție); cu cât vâscozitatea este mai mare, cu atât timpul de reacție este mai scurt; adică toate fluidele tind să se miște la unison sau împreună.
Vâscozitatea este adesea considerată ca forța de frecare între molecule dintr-un fluid. Cu cât frecarea este mai mare, cu atât vascozitatea este mai mare. Printre altele, această forță este motivul existenței stratului limită: cu cât aerul este mai aproape de suprafață, cu atât viteza lui este mai mică (în imaginea de mai jos, săgeata scurtă indică cea mai mică viteză).
De exemplu, parapantatorii și chiar piloții de avioane știu că atunci când vântul bate (periculos) puternic, pot coborî, pentru că fiind „la culoare” cu copacii le reduce forța considerabil.
Continuând cu exemplul mingii pe care l-am menționat mai devreme, de exemplu, dacă fluxul de aer deasupra aripii este complet laminar și nu există un strat limită (care știm deja că este același cu a spune fără vâscozitate), nu există nicio diferență de presiune între partea superioară. și partea de jos a aripii, deci nu există lift; avionul nu poate zbura; este atât de ușor. Zborul este complet imposibil, dar, din fericire, lipiciitatea este mereu acolo. De asemenea, fără vâscozitate, nu ar provoca turbulențe în ciuda instabilității.
Agregarea materiei prin presiune joasă
Când o particulă (cum ar fi o moleculă de aer) se află la presiune scăzută, o atrage cu o accelerație dată de modificarea presiunii împărțită la densitate. La presiune mare se întâmplă opusul, respinge sau împinge.
În meteorologie, zonele de înaltă presiune se numesc anticicloni, în timp ce cicloni sau furtuni (cicloni extratropicali numai în cazuri speciale) Se numesc zone de joasă presiune.. Tot aerul din atmosferă sau toată apa din oceanele Pământului se mișcă din cauza acestor diferențe de presiune. Presiunea este mama tuturor proprietăților; de fapt, multe alte variabile afectează schimbările de presiune: densitatea, temperatura, vâscozitatea, gravitația, forțele Coriolis, diverse inerții etc.; de fapt, atunci când o moleculă de aer se mișcă, o face deoarece molecula care o precede a părăsit o regiune de presiune scăzută, regiunea tinde să se umple imediat
Am văzut cauze sau instabilități care apar în medii precum atmosfera sau oceanul, formând anumite geometrii, una dintre ele - subiectul acestei lucrări - sunt așa-numitele vortexuri Von Karman. Acum, odată ce înțelegem cauzele și variabilele care interferează cu toată dinamica oricărui fluid, suntem gata să învățăm despre această geometrie foarte specifică.
Când fluxul de aer circulă în jurul oricărui geometria, evoluează în jurul ei, ducând la instabilitate, după cum am văzut deja, formând turbulențe; aceste turbulențe au practic infinite tipuri și forme; majoritatea nu sunt periodice; adică nu se repetă în timp. sau spațiu, dar unii o fac. Acesta este cazul vortexurilor Von Karman menționate mai sus.
Ele se formează în condiții de viteză foarte specifice și anumite dimensiuni ale obiectului acționând ca un obstacol.
Sper că cu aceste informații puteți afla mai multe despre vârtejurile Von Karman, caracteristicile și importanța lor în meteorologie.