La turbulencia no solo está presente en la naturaleza, se mire como se mire, sino que es muy necesaria en muchas situaciones: para mezclar mejor diferentes fluidos (por eso agitamos el café y la leche para mezclarlos), o para crear una mayor transferencia de calor entre líquidos (también agitamos el café para que se enfríe más rápido), etc. En la meteorología también existen y son llamados vórtices de Von Karman.
En este artículo vamos explicarte todo lo que necesita saber sobre los volquetes de Von Karma, sus características e importancia.
Propiedades de los vórtices de Von Karma
Para empezar, debemos conocer las propiedades que definen a un fluido y su dinámica. La densidad, la presión o la temperatura, son variables que todos más o menos conocemos. En base a ellas y sus efectos puede explicarse cualquier movimiento o dinámica de un fluido, por complicada que ésta sea:
Inestabilidad
Imaginemos una corriente de aire chocando contra una esfera; si la velocidad del aire es baja, nos damos cuenta de que el aire se mueve «suavemente» alrededor y detrás de la pelota; a esta espalda también se le llama «aguas abajo» o «cola» del flujo de agua.
En este caso al flujo se le llama laminar, es decir: no se aprecian remolinos o generalmente llamados turbulencias, lo cierto es que sin turbulencias todo sería aburrido, de hecho hasta las ecuaciones de Navier-Stokes pueden Aplicaciones en psicología, control de multitudes o el diseño de sistemas de evacuación de peatones en estadios, etc., todo es más fácil si no hay turbulencias.
Ahora supongamos que cada molécula de aire sigue a otra molécula de aire, y así sucesivamente; hay un número infinito de moléculas a lo largo de una línea uniforme. Imaginemos que, por la «razón que sea», de repente hay una molécula que no sigue este patrón dinámico, es decir, sale de la trayectoria «normal», aunque muy raramente; técnicamente hablando, se dice que sucede «inestable». Esta inestabilidad es el comienzo de la turbulencia; a partir de ese momento, los cambios en las trayectorias se suceden lógicamente, ya que una molécula empuja a la otra a cambiar de dirección, y así sucesivamente. «razón» por qué en primer lugar.
Las trayectorias moleculares pueden ser muy, muy diversas: cambios muy sutiles de temperatura, presión o densidad, incluso los más comunes de origen desconocido
Dependiendo de la geometría o estructura que se forme a continuación, la inestabilidad recibe los siguientes nombres:
- Inestabilidad de Kelvin-Helmholtz: Puede ocurrir en el flujo dentro de un fluido continuo como el aire o el agua, o en la interfaz de dos fluidos o dos capas del mismo fluido que se mueven a diferentes velocidades.
- Inestabilidad de Rayleigh-Taylor: Importante en la «caída» (colapso) o descenso del aire frío de la atmósfera superior. Incluso en el ascenso «agudo» del aire caliente.
Viscosidad
La viscosidad probablemente sea bien conocida porque todo el mundo compara el agua con la miel o la lava, por ejemplo, infiriendo qué es la viscosidad. Imaginemos desde otro ángulo: Supongamos que estamos en un semáforo con vehículos delante y detrás; cuando el semáforo se pone verde, necesitamos un tiempo para movernos; entonces: la viscosidad es como el tiempo de reacción entre cada portador recíproco (1/reacción tiempo); cuanto mayor es la viscosidad, menor es el tiempo de reacción; es decir, todos los fluidos tienden a moverse al unísono o juntos.
La viscosidad se considera a menudo como la fuerza de fricción entre las moléculas de un fluido. Cuanto mayor sea la fricción, mayor será la viscosidad. Entre otras cosas, esta fuerza es la razón de la existencia de la capa límite: cuanto más cerca está el aire de la superficie, menor es su velocidad (en la imagen de abajo, la flecha corta indica la velocidad más lenta).
Por ejemplo, los parapentistas e incluso los pilotos de aviones saben que cuando el viento sopla fuerte (peligrosamente), pueden descender, porque al estar “a ras” de los árboles, su fuerza se reduce considerablemente.
Continuando con el ejemplo de la pelota que mencionamos anteriormente, por ejemplo, si el flujo de aire sobre el ala es completamente laminar y no hay una capa límite (que ya sabemos que es lo mismo que decir que no hay viscosidad), no hay diferencia de presión entre el arriba y abajo del ala, por lo que no hay sustentación; el avión no puede volar; es así de simple. Volar es completamente imposible, pero, afortunadamente, la pegajosidad siempre está ahí. Además, sin viscosidad, no provocarían turbulencia a pesar de la inestabilidad.
Agregación de materia por baja presión
Cuando una partícula (como una molécula de aire) está a baja presión, la atrae con una aceleración dada por el cambio de presión dividido por la densidad. Con la presión alta sucede lo contrario, repele o empuja.
En meteorología, las zonas de alta presión se denominan anticiclones, mientras que los ciclones o tormentas (ciclones extratropicales sólo en casos especiales) se denominan zonas de baja presión. Todo el aire de la atmósfera o toda el agua de los océanos de la Tierra se mueve debido a estas diferencias de presión. La presión es la madre de todas las propiedades; de hecho, muchas otras variables afectan los cambios de presión: densidad, temperatura, viscosidad, gravedad, fuerzas de Coriolis, diversas inercias, etc.; de hecho, cuando una molécula de aire se mueve, lo hace porque la molécula que la precede ha dejado una región de baja presión, la región tiende a llenarse inmediatamente
Hemos visto causas o inestabilidades que surgen en medios como la atmósfera o el océano, formando ciertas geometrías, una de ellas – el tema de este trabajo -son los llamados vórtices de Von Karman. Ahora, una vez que entendemos las causas y variables que interfieren con toda la dinámica de cualquier fluido, estamos listos para aprender sobre esta geometría tan específica.
Cuando el flujo de aire circula alrededor de cualquier geometría, evoluciona a su alrededor, lo que lleva a la inestabilidad, como ya hemos visto, formando turbulencias; estas turbulencias tienen prácticamente infinitos tipos y formas; la mayoría de ellas no son periódicas; es decir, no se repiten en el tiempo. o el espacio, pero algunos lo hacen. Este es el caso del mencionado de los vórtices de Von Karman.
Se forman bajo condiciones de velocidad del aire muy específicas y ciertas dimensiones del objeto que actúan como un obstáculo.
Espero que con esta información puedan conocer más sobre los vórtices de Von Karman, sus características e importancia en la meteorología.