Vorticidad

Marcos Redondo

26 Apr 201905:53

Summary

TLDREl guion trata sobre los vórtices en fluidos, explicando cómo se forman y su movimiento. Se menciona que los vórtices son flujos turbulentos en espiral y cómo pueden transportar fluidos con menor pérdida de energía. Se analiza el concepto de la circulación y la velocidad angular, y se muestra un experimento casero con humo. Además, se explora el efecto de vórtices sobre otros objetos y se menciona la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, ilustrada con la detonación de una bomba de hidrógeno.

Takeaways

💨 Un anillo de vórtice se forma cuando una masa de fluido se expulsa a través de una abertura estrecha, como los anillos de humo de un fumador.
🌪️ Las partículas de fluido en un vórtice siguen trayectorias circulares alrededor del núcleo, donde la velocidad angular aumenta hacia el centro.
🔥 El vórtice transporta fluido en rotación con baja pérdida de masa y energía, permitiendo que viaje largas distancias.
🔁 La fricción viscosa entre el fluido en movimiento y el fluido estacionario crea un flujo de rotación que da lugar al vórtice.
📈 Usando el programa Tracker, se pueden analizar y visualizar las posiciones y velocidades de un vórtice en movimiento.
⚙️ La vorticidad es un concepto matemático que mide la circulación o rotación del fluido, y su magnitud varía según la proximidad al eje de rotación.
🌫️ La presión entre el centro y los bordes de un fluido crea vórtices, como en el caso de un anillo de humo que no es visible pero puede mover objetos.
📊 Se utilizaron ecuaciones polares y análisis dimensional para modelar matemáticamente el comportamiento de un vórtice.
🌀 La simulación en 2D muestra la evolución del vórtice en corte transversal, mientras que la simulación en 3D permite observar la creación completa del anillo.
💥 El fenómeno de la nube en forma de hongo tras una explosión nuclear es un ejemplo de inestabilidad de Rayleigh-Taylor, causada por la interacción de fluidos de diferente densidad.

Q & A

¿Qué es un anillo de vórtice y cómo se forma?
-Un anillo de vórtice es una estructura de fluido donde las partículas se mueven en trayectorias circulares alrededor de un núcleo. Se forma cuando una masa de fluido es expulsada desde un espacio cerrado a través de una abertura estrecha, como en el caso de los anillos de humo creados por un fumador.
¿Qué ocurre con la velocidad del fluido en un anillo de vórtice?
-La velocidad del fluido en un anillo de vórtice es más o menos constante excepto cerca del núcleo. A medida que nos acercamos al centro, la velocidad angular aumenta, concentrando la mayor parte de la disipación de energía cerca del núcleo.
¿Cómo un anillo de vórtice puede viajar largas distancias con poca pérdida de energía?
-El flujo polar del vórtice reduce la fricción entre el núcleo y el fluido circundante, lo que permite que el anillo viaje una gran distancia con pérdida mínima de masa y energía cinética, manteniendo su forma y tamaño.
¿Cómo se relaciona la fricción viscosa con la formación de un anillo de vórtice?
-La fricción viscosa en la interfaz entre los dos fluidos ralentiza las capas externas en comparación con el núcleo. Estas capas externas se enrollan alrededor de la masa de fluido y se acumulan en la parte posterior, donde reentran en la masa, formando el anillo de vórtice.
¿Qué es la vorticidad y cómo se define en dinámica de fluidos?
-La vorticidad es un concepto matemático utilizado en dinámica de fluidos que se relaciona con la cantidad de circulación o rotación de un fluido. Se define como la circulación por unidad de área en un punto del flujo, y depende de la velocidad y la fricción del flujo.
¿Cómo afecta la velocidad en un vórtice a las zonas cercanas y alejadas del eje de rotación?
-En un vórtice, la velocidad en los puntos más cercanos al eje de rotación es mucho mayor que en las zonas más alejadas, lo que contribuye a la formación de las trayectorias de flujo circulares características.
¿Cómo se relaciona el experimento de anillos de humo con el análisis de vórtices?
-En el experimento casero, se expulsan anillos de humo a través de un rollo de papel, lo que crea un vórtice visible que puede ser analizado. Se utilizó el programa Tracker para obtener gráficos de posición y velocidad del vórtice, permitiendo estudiar su comportamiento.
¿Qué fenómeno provoca la nube en forma de hongo tras una explosión nuclear?
-La nube en forma de hongo tras una explosión nuclear es el resultado de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, un fenómeno donde un fluido de baja densidad, como el aire caliente, empuja a otro de mayor densidad, creando una columna de polvo y aire que asciende rápidamente.
¿Qué conclusiones se obtienen al analizar el efecto de un vórtice sobre otro?
-Se concluye que la velocidad de avance de un vórtice es inversamente proporcional a la distancia entre los vórtices. Este análisis se realizó usando el programa Tracker, y permitió obtener expresiones matemáticas para predecir la longitud del vórtice en función del tiempo.
¿Cómo se visualiza la creación de un vórtice en una simulación 2D y 3D?
-En una simulación 2D, se observa la creación del vórtice como un corte transversal de un toroide, mostrando cómo la interfase con el aire gira en direcciones opuestas. En 3D, se ve cómo el anillo se forma y cómo la tensión superficial delimita la zona ocupada por el vórtice.