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Cómo vaciar una botella rápidamente

Para realizar este experimento necesitaremos un recipiente y una botella, por lo que es asequible para todo el mundo. Además, relacionado con el mismo, os contaremos sobre el patrón de la Calle de vórtices de Von Kármán

Llenamos la botella con agua dejando un poco de aire en el cuello. Tapamos la boca de la botella con las manos y la agitamos en círculos. ¡Y la vaciamos en unos segundos! Pero, ¿por qué? El movimiento circular hace que se forme un tornado en el interior de la botella, conocido como vórtice. Debido a este movimiento, el aire entra en la botella empujando el agua hacia fuera, mientras la forma del vórtice permite al agua salir más fácilmente. Después de este experimento, os explicamos el patrón de la Calle de vórtices de Von Kármán.

Calle de vórtices de Kármán

En dinámica de fluidos, una calle de vórtices de Kármán (o una calle de vórtices de von Kármán) es un patrón repetitivo de vórtices en remolino, causado por un proceso conocido como desprendimiento de vórtices, que es responsable de la separación inestable del flujo de un fluido alrededor de cuerpos contundentes.

Lleva el nombre del ingeniero y dinamista de fluidos Theodore von Kármán, y es responsable de fenómenos como el “canto” de líneas telefónicas o eléctricas suspendidas y la vibración de la antena de un automóvil a ciertas velocidades.

Formación de vórtices

La naturaleza de la formación del vórtice está determinada esencialmente por el número de Reynolds Re. Representa la relación entre la inercia y las fuerzas de viscosidad. Se calcula a partir de la velocidad del flujo, el diámetro del cuerpo y la viscosidad. En el caso más simple, el de un cilindro estacionario en un flujo constante, se pueden observar diferentes configuraciones de la calle del vórtice usando el número de Reynolds: A velocidades muy bajas o viscosidad muy alta (Re <4, por ejemplo, en miel) ocurre en absoluto tiene lugar la separación del flujo.

Este caso es una aplicación clásica de la teoría del potencial. Al aumentar la velocidad, se forman dos burbujas de vórtice que giran en sentido contrario en el lado opuesto al flujo, que se vuelven cada vez más inestables desde Re ≥ 30 y solo entonces comienzan a mostrar el típico movimiento de péndulo periódico. La frecuencia de desprendimiento de vórtices se caracteriza por el número de Strouhal. Hasta Re <200, toda la calle del vórtice permanece completamente laminar. En el área de números de Reynolds más altos, se hace una distinción entre en qué lugar del campo de flujo ocurre la transición de flujo laminar a turbulento.

Esto tiene lugar inicialmente en la estela distante (Re≈200) y, a medida que aumenta el número de Reynolds, se mueve hacia la capa límite directamente sobre el cuerpo. En esta gama de Rekrit≈104, la resistencia al flujo del cuerpo es mínima. Incluso en áreas de números de Reynolds muy altos (Re> 5⋅106), como las que ocurren con corrientes de viento alrededor de torres de televisión o islas, todavía se pueden observar calles de vórtice de Kármán. El número de Strouhal cambia solo de manera insignificante y alcanza valores hasta un máximo de 0.30.

Ejemplos

Los remolinos en un pequeño arroyo están marcados con flechas. Las corrientes de Foucault y las calles con vórtices son un fenómeno común. Sin embargo, no es fácil observarlos. Las corrientes de aire no se reconocen fácilmente. Los remolinos o vórtices de agua son tan translúcidos como el agua misma. Si miras de cerca, los descubrirás en la bañera si pasas el dedo por el agua. Si se agrega un líquido de alta viscosidad, p. Ej. B. una mezcla de agua y glicerina, a veces con colorante para alimentos, los hilos de colores muestran la dirección de rotación.

Los estrechos del vórtice de Kármán con agua, por ejemplo, pueden formarse detrás de grupos de islas que sobresalen del mar. La turbulencia se puede ver en fotografías aéreas como enormes estructuras de nubes, vea la imagen de satélite a la derecha.

Detrás de una varilla de incienso que se mueve rápidamente a través del aire con la mano, se puede observar una calle de vórtice Karman similar a la imagen de arriba a la derecha.