M E C Á N I C A. El Torbellino. El Torbellino

Transcripción

1 M E C Á N I C A

2 M E C Á N I C A Los torbellinos o vórtices se forman en fluidos (gases y líquidos) en movimiento. Para describir el movimiento de un fluido (según Euler) se necesita determinar en cada punto del espacio, la densidad y velocidad en cada momento. Un fluido se puede mover de forma, o en régimen, laminar o turbulento. Una propiedad característica de un fluido es la viscosidad, que está relacionada con la resistencia al movimiento. A causa de la viscosidad es necesario ejercer una fuerza para que una capa líquida deslice sobre otra. El régimen será laminar cuando el fluido se desplace por láminas o capas paralelas entre sí que no se entremezclen, de modo que la velocidad en cada punto es función unívoca de la posición (para cada punto e instante la velocidad es única). Cuando la velocidad es alta y sobrepasa un cierto valor crítico, el movimiento de las capas es muy irregular y se formarán corrientes locales circulares denominadas vórtices o torbellinos, que aumentan la resistencia al desplazamiento del fluido. Aparecen componentes irregulares de velocidad transversales a la dirección del flujo y por tanto la velocidad no permanecerá constante para un mismo punto. Se dice pues que el régimen es turbulento. Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral. El tipo de régimen de un fluido viene determinado por cuatro factores que forman la constante adimensional denominada Número de Reynolds, R. Si consideramos un fluido moviéndose a lo largo de un tubo su valor es: Donde η es coeficiente de viscosidad del fluido ρ es la densidad del fluido. D es el diámetro del tubo. v es la velocidad del fluido. Si R es menor de 2000, el régimen es laminar. Si R es mayor de 3000, el régimen es turbulento. Para valores comprendidos entre 2000 y 3000, el fluido se encuentra en una zona de transición entre ambos regímenes.

3 MÁLAGA ANTES DE LA VISITA Qué es un fluido? Por qué la viscosidad en los fluidos se asemeja al rozamiento en el movimiento de los sólidos? Ordena según su viscosidad los siguientes fluidos: agua, glicerina, aceite (para motor), aire, sangre. Define los conceptos de línea de flujo, línea de corriente, régimen estacionario, régimen laminar y régimen turbulento. Qué ocurre cuando haces girar una cucharilla en un vaso con un líquido? Dibújalo. Por qué se producen los torbellinos? Pon ejemplos de vórtices naturales. Es peligrosa la existencia de vórtices en un río? Por qué? 1

4 M E C Á N I C A DURANTE LA VISITA Observa el módulo, pulsa el botón y comprueba la formación del torbellino. En qué parte del cilindro se origina? Qué es lo que lo produce? Qué capas de agua comienzan a girar antes y cuáles después? Fíjate ahora en las botellas de agua. Cae el agua de la botella que está arriba a la que está abajo? Por qué? Qué tienes que hacer para que el agua caiga? Se mueven todas las moléculas del líquido con la misma velocidad? Cuáles lo hacen más rápidamente? Varía la velocidad con la que gira el líquido según la cantidad que queda en la botella? Qué forma te recuerda el vórtice que se origina? Mide el tiempo que tarda en vaciarse la botella: a) Sin darle impulso b) Con un pequeño impulso c) Con un gran impulso 2

5 MÁLAGA DESPUÉS DE LA VISITA En el tubo cilíndrico, quién ejerce las fuerzas para que se produzca el torbellino? Explica la formación del torbellino que viste durante la visita. Y en las botellas? Por qué se vacía la botella más rápidamente cuando se genera el torbellino? Con el dibujo que realizaste y los datos tomados durante la visita, describe la formación del torbellino en la botella. Compara las medidas de los diferentes tiempos que tomaste durante la visita y explica los resultados. Prueba ahora a llenar una botella con aceite y genera un torbellino, y compáralo con el que se forma en agua. Describe las diferencias en ambos casos. Cita ejemplos cotidianos en los que se produzcan torbellinos. 3

6 M E C Á N I C A En el flujo de sangre que entra y sale del corazón, se producen turbulencias? Infórmate sobre ello. Llena un embudo de agua y déjala posteriormente caer. Se produce un torbellino? Realiza la siguiente experiencia. Llena hasta el borde un vaso con agua y otro con vino. Coloca una superficie plástica sobre el vaso con agua, gíralo con cuidado y colócalo sobre el otro vaso. Desplaza ligeramente el plástico, de forma que dejes un pequeñísimo orificio que comunique ambos líquidos. Observa y describe lo que ocurre (puedes ayudarte de un dibujo para explicarlo). 4

7 MÁLAGA CURIOSIDADES La palabra vórtice viene del latín vortex (torbellino, remolino). La viscosidad depende de la temperatura. Aumenta con ella en los gases, y disminuye en los líquidos. Por ello, en la fabricación de lubricantes de motor es necesario reducir al mínimo esta dependencia. La unidad de viscosidad se denomina poise, en honor al científico francés Poiseuille. En las conducciones de fluidos, la rugosidad de las paredes y la existencia de llaves de paso, estrechamientos, etc., provocan mayor número de turbulencias y torbellinos. El humo ascendente de un cigarrillo, es un flujo laminar al inicio pero pronto el flujo se vuelve turbulento al aumentar la velocidad de las partículas de humo, como se observa en la figura. La prueba de la aerodinámica de los vehículos se evalúa examinado las líneas de corriente del flujo de viento que se hacen visibles incorporando humo al aire (túnel de viento). Los medios locomotores de los animales son múltiples y variados, pero deben respetar dos factores principales: las propiedades mecánicas del medio en el que vive el animal y, por otra parte, el tamaño y la forma de su cuerpo. Para el medio aéreo, los individuos con alto número de Reynolds se desplazan por medio del vuelo (bateo de alas) o el planeo, mientras que los individuos con bajo número de Reynolds se desplazan por medio del vuelo por revoloteo o por la formación de estructuras especiales que les permitan disminuir la densidad relativa de su cuerpo. 5

8 tlf fax Avda. DE LUIS BUÑUEL, MÁLAGA