Turbulencie sa nevyskytujú len v prírode, akokoľvek sa na to pozeráte, ale sú veľmi potrebné v mnohých situáciách: na lepšie premiešanie rôznych tekutín (preto kávu a mlieko premiešame, aby sa premiešali), alebo na vytvorenie väčšieho prenosu tepla medzi tekutiny (kávu aj pretrepeme, aby rýchlejšie vychladla) atď. V meteorológii tiež existujú a sú tzv Von Karman víry.
V tomto článku vám vysvetlíme všetko, čo potrebujete vedieť o sklápačoch Von Karma, ich vlastnostiach a význame.
Vlastnosti víru von Karma
Na začiatok musíme poznať vlastnosti, ktoré definujú tekutinu a jej dynamiku. Hustota, tlak či teplota sú premenné, ktoré všetci viac-menej poznáme. Na základe nich a ich účinkov možno vysvetliť akýkoľvek pohyb alebo dynamiku tekutiny, nech je akokoľvek komplikovaný:
chvenie
Predstavte si prúd vzduchu narážajúci na guľu; ak je rýchlosť vzduchu nízka, zistíme, že vzduch sa pohybuje „plynule“ okolo a za loptou; tento chrbát sa tiež nazýva „dolný prúd“ alebo „chvost“ vodného toku.
V tomto prípade sa prúdenie nazýva laminárne, to znamená: víry alebo všeobecne nazývané turbulencie sa nedoceňujú, pravdou je, že bez turbulencií by bolo všetko nudné, vlastne aj Navier-Stokesove rovnice môžu Využitie v psychológii, kontrole davu resp. návrh systémov evakuácie chodcov na štadiónoch a pod., všetko ide ľahšie, ak nedochádza k turbulenciám.
Teraz predpokladajme, že každá molekula vzduchu nasleduje za ďalšou molekulou vzduchu atď. existuje nekonečný počet molekúl pozdĺž hladkej čiary. Predstavme si, že z akéhokoľvek „dôvodu“ zrazu existuje molekula, ktorá sa neriadi týmto dynamickým vzorcom, to znamená, že opúšťa „normálnu“ trajektóriu, aj keď veľmi zriedkavo; technicky vzaté sa to vraj deje „nestabilne“. Táto nestabilita je začiatkom turbulencií; Od tohto momentu nasledujú zmeny trajektórií po sebe logicky, keďže jedna molekula tlačí druhú, aby zmenila smer atď. "dôvod" prečo na prvom mieste.
Molekulové trajektórie môžu byť veľmi, veľmi rôznorodé: veľmi jemné zmeny teploty, tlaku alebo hustoty, dokonca aj tie najbežnejšie neznámeho pôvodu.
V závislosti od geometrie alebo štruktúry, ktorá sa tvorí ako ďalšia, má nestabilita tieto názvy:
- Kelvin-Helmholtzova nestabilita: Môže sa vyskytovať v prúdení v spojitej tekutine, ako je vzduch alebo voda, alebo na rozhraní dvoch tekutín alebo dvoch vrstiev tej istej tekutiny pohybujúcich sa rôznymi rýchlosťami.
- Rayleigh-Taylorova nestabilita: Dôležité pri „páde“ (kolapse) alebo zostupe studeného vzduchu z vyšších vrstiev atmosféry. Aj pri „prudkom“ stúpaní horúceho vzduchu.
Viskozita
Viskozita je pravdepodobne dobre známa, pretože každý porovnáva vodu napríklad s medom alebo lávou, z čoho vyvodzuje, čo je viskozita. Predstavme si to z iného uhla: Predpokladajme, že sme na semafore s vozidlami vpredu a vzadu; keď sa na semafore rozsvieti zelená, potrebujeme nejaký čas na pohyb; potom: viskozita je ako reakčný čas medzi každým recipročným nosičom (1/reakčný čas); čím vyššia je viskozita, tým kratší je reakčný čas; to znamená, že všetky tekutiny majú tendenciu pohybovať sa súčasne alebo spoločne.
Viskozita sa často považuje za treciu silu medzi molekulami v kvapaline. Čím vyššie je trenie, tým vyššia je viskozita. Táto sila je okrem iného dôvodom existencie hraničnej vrstvy: čím je vzduch bližšie k povrchu, tým je jeho rýchlosť nižšia (na obrázku nižšie krátka šípka označuje najpomalšiu rýchlosť).
Napríklad paraglajdisti a dokonca aj piloti lietadiel vedia, že keď fúka (nebezpečne) silný vietor, môžu klesať, pretože „v jednej rovine“ so stromami značne znižuje ich silu.
Pokračujeme v príklade s loptou, ktorý sme už spomenuli, napríklad, ak je prúdenie vzduchu cez krídlo úplne laminárne a neexistuje žiadna hraničná vrstva (o ktorej už vieme, že je to isté, ako keby sme povedali, že žiadna viskozita), nie je žiadny rozdiel. a spodná časť krídla, takže nie je žiadny výťah; lietadlo nemôže lietať; je to také ľahké. Lietanie je úplne nemožné, ale našťastie je lepkavosť vždy prítomná. Taktiež bez viskozity by napriek nestabilite nespôsobovali turbulencie.
Agregácia hmoty nízkym tlakom
Keď je častica (napríklad molekula vzduchu) pod nízkym tlakom, priťahuje ju zrýchlením daným zmenou tlaku vydelenou hustotou. Pri vysokom tlaku sa stane opak, odpudzuje alebo tlačí.
V meteorológii oblasti vysokého tlaku sa nazývajú anticyklóny, zatiaľ čo cyklóny alebo búrky (extratropické cyklóny len v špeciálnych prípadoch) Nazývajú sa nízkotlakové zóny.. Všetok vzduch v atmosfére alebo všetka voda v oceánoch Zeme sa pohybuje v dôsledku týchto tlakových rozdielov. Tlak je matkou všetkých vlastností; v skutočnosti zmeny tlaku ovplyvňujú mnohé ďalšie premenné: hustota, teplota, viskozita, gravitácia, Coriolisove sily, rôzne zotrvačnosti atď.; v skutočnosti, keď sa molekula vzduchu pohybuje, robí to preto, že molekula, ktorá ju predchádza, opustila oblasť nízkeho tlaku, táto oblasť má tendenciu sa okamžite naplniť
Videli sme príčiny alebo nestability, ktoré vznikajú v médiách, ako je atmosféra alebo oceán, vytvárajúce určité geometrie, jednou z nich - predmetom tejto práce - sú takzvané Von Karmanove víry. Teraz, keď pochopíme príčiny a premenné, ktoré zasahujú do celej dynamiky akejkoľvek tekutiny, sme pripravení dozvedieť sa o tejto veľmi špecifickej geometrii.
Keď prúd vzduchu cirkuluje okolo akéhokoľvek geometria, sa okolo nej vyvíja, čo vedie k nestabilite, ako sme už videli, tvoriace turbulencie; tieto turbulencie majú prakticky nekonečné typy a formy; väčšina z nich nie je periodická; to znamená, že sa neopakujú v čase. alebo priestor, ale niektorí áno. To je prípad spomínaných Von Karmanových vírov.
Vznikajú za veľmi špecifických podmienok rýchlosti vzduchu a určitých rozmerov objektu pôsobiaceho ako prekážka.
Dúfam, že s týmito informáciami sa dozviete viac o Von Karmanových víroch, ich charakteristikách a význame v meteorológii.