martes, 26 de mayo de 2015

Aerodinámica: Torbellinos, remolinos y vórtices.

El aire es un fluido y la mecánica de fluidos se encarga de estudiar su comportamiento cuando se mueve. Esta es una materia complicada y la mejor forma de llegar a entenderla es el uso de modelos simples. Los fluidos en movimiento se comportan a menudo de forma muy compleja y a veces impredecible. Sin embargo, podemos entender muchos aspectos del movimiento de fluidos por medio de simulaciones o modelos simples, que en muchos casos son lo suficientemente realistas como para ser aplicados a mayor escala. El aire en este modelo simple es considerado incompresible (no incomprensible, cuidado con el chiste fácil), de la misma manera se considera que no tiene viscosidad. La viscosidad es el término utilizado para describir la resistencia de fricción interna en un fluido. Sin viscosidad las capas de fluido resbalan libremente y unas sobrepasan a otras e incluso las superficies de los elementos por los que circulan. Así que en un modelo simplificado si habláramos de líquidos, podríamos aplicar lo que aquí se dice al agua, pero no a la miel, por poner un ejemplo de baja y alta viscosidad. En la animación se ven dos tipos de viscosidad diferentes.


Resultado de imagen de cigarette smokeOtra aproximación que se suele hacer en estos modelos simplificados es la de considerar que el fluido (el aire en este caso) se desplaza (fluye) de forma laminar, esto es, sin turbulencias. Tal como se muestra en la figura, en el flujo laminar cada partícula del fluido que pasa por un punto en particular, sigue un patrón continuo similar al de la partícula que ya pasó anteriormente por ese punto. Incluso más, la dirección en la que se mueven cada una de las partículas del fluido, es siempre la misma que la de la dirección de la masa total del fluido completo. En el otro extremo, un flujo turbulento sería aquel en el que ocurren torbellinos y remolinos. Este es el ejemplo típico que se puede ver en el humo de un cigarro.  El flujo turbulento se suele desarrollar generalmente cuando el fluido adquiere gran velocidad y cuando se encuentra con obstrucciones o afilados ángulos en su camino.


Ejemplos de movimientos turbillonarios son los ciclones, las trombas, los remolinos que se forman al vaciar un lavabo, los anillos de humo que producen los fumadores, etc. los remolinos se forman cuando entre dos capas de fluido existe una diferencia de velocidades, o lo que es igual, cuando existe una discontinuidad de velocidad entre dos capas fluidas (un caso particular es cuando una de las capas está en reposo y la otra a una cierta velocidad).

Si suponemos una calle A, por la que existe, debido al viento, una velocidad VA como indica la figura y suponemos que en una calle B perpendicular a la anterior, el aire está en reposo, en la esquina se formarán una serie de torbellinos, a causa de la discontinuidad de velocidad.



Otro ejemplo, son los torbellinos que se forman detrás de un cilindro, cuando el viento lo rebasa, salen una serie de torbellinos alternativamente en cada uno de los bordes. Si este cilindro fuera el mástil de una bandera, tendríamos la explicación de porqué las banderas ondean al viento. Un ejemplo análogo son los remolinos que se forman detrás del pilar de un puente sobre un río. Existe una discontinuidad entre la velocidad del agua detrás, que está en reposo, y la velocidad de la corriente. En estos casos además se pueden apreciar zonas en la base de los pilares donde falta arena o material del lecho del río debido al flujo de vórtices descendente, tal como se ve en la imagen.




Los vórtices

Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas. Como vórtice puede considerarse cualquier tipo de flujo circular o rotatorio que posee vorticidad. La vorticidad es un concepto matemático usado en dinámica de fluidos que indica la cantidad de circulación o rotación de un fluido. La vorticidad, matemáticamente se define como la circulación por unidad de área en un punto del flujo. El movimiento de un fluido se puede denominar solenoidal si el fluido gira en círculo o en hélice, o de forma general si tiende a rotar en torno a un eje.

En los aviones se pueden ver ejemplos creados por aeronaves, como el que se muestra en la foto. En este caso es un vórtice creado por un avión ligero. En caso de que el avión fuera de gran tonelaje estos vórtices podrían llegar a ser muy peligrosos para el tráfico que los sigue. Esta es una de las razones por las cuales también se hace la separación entre aviones después el despegue. De la misma forma, en la fraseología radiofónica se suele utilizar la palabra "heavy" (pesado) cuando se realizan las comunicaciones y para avisar al trafico que sigue en el despegue que puede haber turbulencias generadas por el avión que acaba de despegar.

En los helicópteros estas turbulencias inducen vibraciones de tipo sinusoidal pueden llegar a ser un gran peligro cuando la estructura de la aeronave entra en resonancia, tal como puede verse en el vídeo.




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