Experimentos y actividades relacionados con las leyes físicas y fuerzas que actúan en la atmósfera
Referencias:
| Fácil | |
Para los más chiquitos | |
Complicado | |
Requiere Materiales de laboratorio o instrumental | |
Tiene nota de seguridad | |
Principio de Bernoulli - Con un tubo en U
Bernoulli - Fuerza de Sustentación
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¿Cómo un objeto más pesado que el aire puede volar?
Leyes del movimiento de Newton
Fuerza del gradiente de presión
Analogía del balance hidrostático
El Ludión o
diablillo de Descartes
Fuerzas centrípeta y centrífuga
Transición de flujo laminar a turbulento
| Grandes progresos han habido desde que Aristóteles, antes del nacimiento de Cristo, planteara el movimiento del aire como la necesidad de cada uno de los cuatro elementos de volver a su lugar natural y desde que en la Edad Media atribuyeran al aleteo de los ángeles la generación del viento. Dioses piadosos y malvados, ángeles... Hoy es bien sabido que el movimiento del aire se debe a la interacción entre las fuerzas del gradiente de presión, la fuerza de gravedad, la fuerza centrífuga, la fuerza de Coriolis y la fuerza de fricción. Vamos a conocer algunas de las leyes del movimiento y las fuerzas que actúan en la atmósfera para producir el viento. |
Luego de leer esta historia de Galileo, sabes que todos los objetos caen con la misma aceleración, independientemente de su peso. También sabes por experiencia que no caen con la misma velocidad debido a la resistencia del aire. En el vacío sí, todos los objetos caen a la misma velocidad. Las siguientes actividades te ayudarán a examinar fuerzas opuestas: el peso y la resistencia del viento.
Materiales:
Hojas de papel, terrón de azúcar, dado, otros objetos que consigas que tengan el mismo tamaño, pero que pesen diferente.
Instrucciones:
Escoge un par de objetos del mismo tamaño, pero de diferente peso. Sujétalos a la misma altura y déjalos caer al mismo tiempo. Fíjate a ver si llegan al piso en el mismo tiempo.
Ahora toma dos hojas de papel idénticas. Haz una pelota de una y deja la otra lisa. Sujeta ambas hojas de papel a la misma altura y déjalas caer al mismo tiempo. Debido a que ambos objetos pesan lo mismo, la diferencia en el tiempo de caída se deberá a la resistencia del aire por la forma de las hojas.
Principio de Bernoulli - Con un tubo en U
| "Cuando el aire está en movimiento su presión es tanto menor cuanto mayor es la velocidad de su desplazamiento y viceversa" |
Materiales:
Tubo de plástico en U, agua
Procedimiento:
Llena el tubo con agua. Sostenlo de manera que ambas bocas del tubo queden en el mismo nivel. Coloca tus labios próximos a uno de los extremos y sopla en dirección horizontal lo más fuerte que puedas (es decir, no soples hacia adentro del tubo, sino hacia adelante sobre el tubo). Nota que el nivel del tubo sobre el que estás soplando asciende, mientras que en el otro tubo el agua desciende.
Este efecto se explica con la ley de Bernoulli. La presión en la corriente de aire que viaja a alta velocidad por encima del primer tubo es menor que sobre el otro. El agua se moverá desde las altas a las bajas presiones empujada por la presión atmosférica.
Bernoulli - Fuerza de Sustentación - ¿Cómo un objeto más pesado que el aire puede volar?
Materiales
Un embudo, papel de calcar, pelotita de ping pong.Procedimiento
Coloca la hoja de papel de calcar en la boca del embudo. Sopla fuerte por el caño del embudo y suelta la hoja ¿Qué pasa?
Coloca una pelota de ping pong en un embudo. Sopla fuerte por el caño
del embudo y trata de sacar la pelota. Invierte el embudo y sostén contra
el fondo la pelota. Sopla con fuerza por el tubo del embudo y observa lo
que sucede cuando se suelta la pelota. ¿Qué pasa?
Coloca la pelotita de ping pong sobre una mesa. Cúbrela con el embudo. Trataremos de levantar la pelota de la mesa soplando por el embudo.¿Qué pasa?
¿Qué pasa en todos estos casos? La velocidad del aire es mayor en el caño del embudo que en la boca del mismo. A mayor velocidad menor presión y viceversa. Como el aire se dirige desde las altas presiones hacia las bajas presiones en los casos 1 y 2 en lugar de salir despedidos el papel y la pelotita, quedan en el interior del embudo. En el caso 3 logramos levantar la pelotita soplando.
Otra forma de comprobarlo...
Corta una tira de papel de unos 30 cm de largo y 4 cm de ancho. Dóblala a unos 4 cm de uno de sus extremos, marcando bien el pliegue. Lleva la parte superior del plano inclinado contra el mentón, de manera que el pliegue quede a la altura de los labios. Sopla con fuerza la parte superior del papel ¿Qué pasa? El aire circulando velozmente sobre el papel produce una presión más baja en la parte superior respecto de la inferior lo que determina una fuerza de elevación.
Este principio es el que utilizan las aves y las aeronaves. Las alas de los aviones están combadas para que la velocidad con la que el aire circula sobre el ala sea mayor que la del aire que circula bajo la misma.
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Imagina que el aire consiste en numerosas
y pequeñas parcelas (pequeños cubos) de aire. Cada parcela obedece a las
leyes del movimiento de Newton. Como consecuencia una parcela de aire de
masa m, tiene una aceleración a como resultado de la
acción de varias fuerzas actuando en ella.
Para hablar de fuerzas hay que introducir el concepto de vectores. Los vectores son magnitudes que están caracterizadas por dos, tres o más componentes. Las magnitudes que sólo se caracterizan por un componente se llaman escalares. Densidad, temperatura, presión, son escalares. Fuerza, velocidad y aceleración son vectoriales. En meteorología los vectores tienen tres componentes que describen el movimiento en tres direcciones independientes (debido a que el espacio es tridimensional). Los vectores fueron introducidos por Stevinus. |
| Henry Cavendish en 1798 había logrado
una muy buena aproximación al valor de G de manera experimental. Usando su
resultado, evaluó la masa de la tierra. Usó la segunda ley de Newton F= m. g y y la ley de gravitación
universal F = G (m M) / r2
Entonces... G (m M) / r2 = m . g M = g r2 / G Donde g y G son constantes y r es el radio de la Tierra. M = 9,8 . (6337000)2 / 6.67 10-11 Kg = 5.84 1024 Kg |
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Se dice que la idea de la gravitación llegó a Newton en su jardín, cuando vio caer una manzana. Sin embargo, Hook reclamó a Newton que le había robado su idea. Según los historiadores no fue Hook quien descubrió la ley de gravitación universal, pero sí sus ideas pusieron a Newton en la senda correcta. |
Analogía del balance hidrostático
Nota de seguridad Ten cuidado al manipular el artefacto eléctrico. Hazlo bajo la supervisión de un adulto
Materiales:
Secador de cabello, globo de goma inflado
Procedimiento:
Coloca el globo en la corriente de aire generada por el secador de cabello.
El globo flotará sobre la corriente.
Esto ocurre porque la fuerza de gravedad es balanceada por la fuerza del gradiente de presión generada por la corriente de aire. Sin importar si la dirección de la corriente de aire es vertical o no, el globo flota sobre la corriente (efecto Bernoulli). Un experimento similar fue realizado por Heron (60 a.C) quien demostró que una pequeña pelotita podía flotar en la corriente de vapor que salía de un recipiente de agua hirviendo
| Fue descubierta por Arquímedes de Siracusa (287-212 a.C). Todo cuerpo sumergido en un líquido desaloja un volumen de líquido igual a su propio volumen. E = P. V (donde V es el volumen del líquido desalojado) |
| Una corona de oro
Herón II, rey de Siracusa, pidió un día
a su pariente Arquímedes, que comprobara si una corona que había
encargado a un orfebre local era realmente de oro puro. El rey le pidió
también de forma expresa que no dañase la corona. |
Materiales:
Dos vasos, regla, lápiz, agua
Procedimiento:
Coloca la regla sobre un lápiz, de manera que el lápiz sirva como sostén de una especie de balanza. Ahora coloca un vaso con agua en cada extremo de la regla. Ajusta el lápiz hasta que ambos vasos queden balanceados. Ahora introduce un dedo en uno de los vasos sin tocar el borde. La fuerza de empuje inclinará la balanza
Materiales:
Vaso, pedazo de cera, agua
Procedimiento:
Llena el vaso con agua. Coloca una pieza de cera en el agua, verás que flota. Ahora empújala hacia el fondo del vaso. El agua no puede empujarla desde abajo y levantarla.
| En la atmósfera, esta fuerza de empuje está relacionada con diferencias de densidad. Esto puede suceder debido a cambios de temperatura o de contenido de vapor de agua. Como el aire caliente es más liviano que el aire frío, y el aire húmedo es más liviano que el aire seco, estos cambios de densidad pueden disparar movimientos verticales a los que llamamos "convección" |
| Cuando una parcela de aire no saturado asciende, se expande debido a que la presión atmosférica disminuye con la altura. El proceso de expansión disminuye la energía interna de las moléculas en la parcela y hace que ésta se enfríe. Este enfriamiento es de alrededor de 1ºC cada 100 metros y se llama gradiente adiabático seco. Análogamente, el aire al descender se calienta con ese mismo gradiente. A veces, el aire ascendente es más frío que el entorno, por lo tanto más pesado. En ese caso, el aire detiene su ascenso y es forzado a descender. Se dice entonces que el aire es estable. Si en cambio, al ascender está más caliente que su entorno, continúa ascendiendo. En ese caso el aire es inestable. Un caso neutro sería que la parcela del aire ascendente tuviera la misma temperatura que su entorno. |
Materiales:
Ahora colócalo en el vaso en el que has disuelto la sal: observarás que queda flotando.
Pon el huevo y agua hasta que lo cubra y un poco más, en el tercer vaso. Añade agua con sal, hasta que consigas que el huevo quede entre dos aguas (ni flota ni se hunde). Si añades en este momento un poco de agua, observarás que se hunde. Si a continuación añades un poco del agua salada, lo verás flotar de nuevo. Si vuelves a añadir agua, otra vez se hundirá y así sucesivamente.
Sobre el huevo actúan dos fuerzas, su peso (la fuerza con que lo atrae la Tierra) y el empuje (la fuerza que hace hacia arriba el agua). Si el peso es mayor que el empuje, el huevo se hunde. En caso contrario flota. Y si son iguales, queda entre dos aguas. El empuje que sufre un cuerpo en un líquido, depende de tres factores :
Al añadir sal al agua, conseguimos un líquido más denso que el agua pura, lo que hace que el empuje que sufre el huevo sea mayor y supere el peso del huevo: el huevo flota. Así también se puede explicar el hecho de que sea más fácil flotar en el agua del mar que en el agua de ríos y piscinas.
- La densidad del líquido
- El volumen del cuerpo que se encuentra sumergido
- La gravedad
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Puedes notar la analogía con la estabilidad termal en la atmósfera. El agua fresca representa el aire cálido y liviano, el agua salada representa el aire más frío y pesado. El huevo es la parcela de aire. Este fenómeno ocurre también en los océanos, donde la diferencia de salinidad afecta la estabilidad de una columna de agua. |
El Ludión o diablillo de Descartes
En su versión original fue obra de Descartes. El nombre "Ludión" se debe a que su propósito era eminentemente lúdico. En una botella llena de agua, se encontraba sumergido un diablillo que se movía según se presionase más o menos la botella.Al presionar la botella aumentamos la presión en su interior. Esto fuerza al agua a entrar en la birome, por lo tanto disminuye el volumen de aire contenido por ella. Al dejar de presionar, el aire recupera su volumen original. Esto es consecuencia del principio de Pascal : Un aumento de presión en un punto cualquiera de un fluido encerrado se transmite a todos los puntos del mismo. Antes de presionar la botella, el bolígrafo flota debido a que su peso queda contrarrestado por la fuerza de empuje ejercida por el agua. La disminución del volumen del aire en el interior del bolígrafo, lleva consigo una reducción de la fuerza de empuje ejercida por el agua. Esto es una consecuencia del principio de Arquímedes.
| Nota la analogía con los movimientos convectivos en la atmósfera. Un día de mucho calor, burbujas de aire comienzan a ascender calentadas por la superficie (térmicas). Capas poco profundas de aire inestable producen pequeños cúmulus, capas profundas de aire inestable producen torrecumulus o cumulunimbus. El contenido de vapor de agua en la atmósfera tiene un importante impacto en la estabilidad térmica. Cuando la parcela asciende y alcanza la temperatura de rocío, el vapor se condensa y libera calor latente de condensación. Como resultado el gradiente adiabático del aire saturado es menor que el del aire seco (0.6ºC cada 100 metros). El calor latente liberado intensifica el movimiento vertical y provee combustible adicional para la formación de tormentas. |
Materiales:
Dos jarras de medio litro, vara de vidrio de 25 cm, agua, aceite de cocina, arcilla para modelar
Procedimiento:
Coloca arcilla para modelar en el fondo de una de las jarras y hazle un hueco con el centro de la varilla de vidrio. Agrégale aceite de cocina hasta 2/3 de la jarra. Agita enérgicamente de manera que se formen burbujas (que nos van a permitir observar el flujo del fluido). Ahora coloca la vara sobre el orificio de la arcilla y comienza a rotar lentamente y de manera constante en una sola dirección. Inicialmente sólo las burbujas próximas a la vara se moverán, pero con el tiempo el movimiento se transmitirá al resto del fluido. Eventualmente las burbujas viajarán sobre órbitas circulares.
Ahora haz lo mismo pero con la jarra con agua. Nota que se necesita más esfuerzo para agitar el aceite que el agua.
De acuerdo con la hipótesis de Newton, la fuerza de resistencia aumenta en un líquido proporcionalmente al gradiente de la velocidad a lo largo del radio y depende de una propiedad llamada viscosidad que es específica de cada líquido.
| Las moléculas de parcelas
gaseosas o líquidas que se mueven a distintas velocidades generan fuerzas
de fricción en las superficies entre ellas. La fuerza de cortante
por unidad de área es proporcional al cambio de velocidad a lo largo de
una distancia. El coeficiente de proporcionalidad se conoce como
viscosidad (n),
que es una propiedad del fluido.
t = n U/d |
Nota de seguridad Ten cuidado, puedes cortarte con las placas metálicas
Materiales:
Dos placas de metal delgadas de 20cm por 5 cm, dos piezas de cable metálico fuerte de 0,1 metros, pegamento, manguera, fuente de agua
Procedimiento:
Toma una de las placas de metal, hazle un orificio en el borde
superior (en el medio) de manera de atravesar por allí el cable, usa pegamento
para que la placa y el cable queden perpendiculares.
Toma la segunda placa metálica y pega el cable a lo largo de uno de sus extremos.
Coloca la primer placa en el camino de una corriente de agua,
de manera que el chorro de agua fluya por los dos lados de la placa. Aumenta la
potencia del chorro hasta que la lámina se incline visiblemente.
Ahora dirige el chorro de agua sobre la segunda placa de manera perpendicular a la misma y en su parte baja. Nota que el chorro firme de agua inclina la plata con un ángulo pequeño. Aumenta y disminuye la potencia del chorro de agua. La inclinación aumenta con el aumento de la intensidad de la descarga de agua.
La fuerza de cortante tangencial a la superficie sólo se debe a la fricción ejercida por la viscosidad del fluido en la superficie del cuerpo. La fuerza de cortante perpendicular, no sólo varía debido a la viscosidad, sino también con los cambios en la velocidad perpendicular a la superficie.
Materiales:
Goma espuma
Procedimiento:
Coloca un bloque de goma espuma sobre la mesa. Empújala de un lado, en dirección paralela a la mesa. La goma espuma se deforma.
Si la fuerza tangencial aplicada es suficiente, la goma espuma puede sufrir una gran deformación. Cuando la fuerza deja de aplicarse, vuelve a su posición inicial. De manera similar, los fluidos resisten cambios en su forma.
Fuerzas centrípeta y centrífuga
| Christian Huygens describió la fuerza
centrífuga en 1659 como una fuerza aparente que actúa en un sistema
rotante y es perpendicular a su eje de rotación. Por ejemplo, si un
objeto atado al final de una cuerda se hace girar, la tensión de la
cuerda parece indicar la presencia de la fuerza centrífuga. Pero existe
un punto de vista diferente. De acuerdo con Newton, los objetos que giran
tienen una tendencia a moverse en línea recta, de manera que existe una
fuerza real ejercida por la cuerda que empuja al objeto hacia el centro
del movimiento. Huygen la llamó fuerza centrípeta y encontró que la
aceleración centrípeta es directamente proporcional al cuadrado de la
velocidad e inversamente proporcional al radio
a = V2/r Calculó la aceleración centrípeta en el Ecuador R = 6370 Km (radio de la Tierra) T = 24 Hs (Tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta sobre su eje) V2/R = (2 p / T)2 x R = 0.0337 m/s2, 300 veces más pequeña que la aceleración de la gravedad (9.8 m/s2) |
Materiales:
Bolita pequeña, pesa, mango en forma de tubo, hilo fuerte.
Procedimiento:
Coloca una pequeña bolita y una pesa en los extremos opuestos de un hilo. Pasa el hilo a través de un mango en forma de tubo. Cuando la bolita es girada, es capaz de levantar la pesa.
Materiales:
Cubo, agua, disco giratorio
Procedimiento:
Coloca un cubo lleno de agua hasta la mitad, en un disco giratorio. Cuanto más rápido gire el disco, el agua se adosará a las paredes del cubo ascendiendo sobre ellas.
La superficie de agua es siempre perpendicular a la fuerza actuante. En agua calma, sólo actúa la fuerza de gravedad y la superficie del líquido es paralela a la superficie de la tierra. En un fluido rotante, la fuerza centrífuga se suma a la fuerza de gravedad y como resultado de ambas fuerzas se determina la orientación de la nueva superficie del agua.
| En 1835, Gaspard Gustave de Coriolis
(1792-1843) publicó su teoría del comportamiento de los cuerpos en
movimiento sobre una superficie rotante. En la Tierra, la fuerza de
Coriolis es perpendicular a la velocidad relativa de los objetos y se
orienta hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el
hemisferio sur. Su magnitud es proporcional al producto de la masa del
objeto, su velocidad, la velocidad angular de la Tierra y el seno de la
latitud.
Durante la Primera Guerra Mundial, en mayo de 1918, los alemanes durante el bombardeo a París, notaron que la trayectoria de los proyectiles disparados desde 100 km de París se curvaban a la derecha aproximadamente 1 Km del blanco. Esto era producido por efecto de la fuerza de Coriolis. |
Materiales:
Papel blanco, regla, lápiz, alfiler.
Procedimiento:
Sujeta el centro de una hoja de papel a la mesa. Usando una regla, dibuja una línea del centro hacia el exterior de la hoja. Ahora trata de dibujar la misma línea haciendo rotar la hoja en el sentido contrario a las agujas del reloj (vas a necesitar la ayuda de otra persona). La línea ya no es recta.
Materiales:
Globo terráqueo, marcador, regla
Procedimiento:
Traza una línea desde el Polo hacia el Ecuador usando una regla. Ahora trata de hacerlo, haciendo rotar el globo en el sentido contrario al de las agujas del reloj. La línea ya no es recta.
| La fuerza de Coriolis es muy pequeña y produce cambios significativos sólo en grandes sistemas meteorológicos. En fenómenos pequeños, por ejemplo en el vórtice del baño, la fuerza es despreciable y por eso no es cierto que su giro sea diferente en un hemisferio respecto del otro. |
Materiales:
Canilla de agua corriente
Procedimiento:
Deja
que el agua corra lentamente. Nota cómo se estrecha el chorro de agua cerca de
la parte inferior de la corriente.
De acuerdo con la ley de Galileo, la velocidad de caída del agua aumenta con la distancia. Por ello la velocidad cerca de la boca de la canilla es menor que cerca del final de la corriente de agua.
Considera dos puntos, 1 y 2 (ver la figura). La cantidad de masa que cruza el nivel 1 es una unidad de tiempo es r A1V1, como la masa se conserva el producto de r A1V1 debe ser igual al que cruza en el nivel 2 r A2V2. Si r A1V1 = r A2V2 , entonces V2/V1 = A1/A2. Como V2/V1 es mayor que 1, también deberá serlo A1/A2, por lo tanto la corriente de agua se estrecha.
| El fenómeno de la turbulencia ha sido estudiado por un buen número de científicos. Cuando el agua de un río fluye por su cauce sabemos que existen diferentes formas de flujo. Si la velocidad del agua es pequeña, entonces este flujo es regular; cuando el agua pasa por alguna piedra que está en el río, simplemente la rodea y el flujo continúa de manera regular. Se dice que el flujo es laminar, ya que su movimiento ocurre como si un conjunto de láminas de agua fluyera una sobre otra. Sin embargo, al aumentar la velocidad del agua llega cierto momento en que el flujo se vuelve altamente irregular. Nos damos cuenta de que al bordear la piedra se producen remolinos. Si la velocidad del agua es mucho más alta todavía, aparecen remolinos dentro de los remolinos. En estas condiciones el flujo del agua es turbulento. La descripción inicial de estos fenómenos, que corresponden a la hidrodinámica, fue hecha aplicando las leyes del movimiento de Newton a los fluidos. De esta manera se encontró una ecuación que resultó ser no lineal. En la bibliografía técnica esta ecuación recibe el nombre de Navier-Stokes (ya que ambos científicos arribaron a las mismas conclusiones simultáneamente desconociendo el resultado del otro). En el caso en que la velocidad del líquido es muy reducida, el término no lineal de la ecuación de Navier-Stokes resulta ser extraordinariamente pequeño y es posible no tomarlo en cuenta, obteniéndose así una ecuación lineal, que sí se ha podido resolver. Bajo estas condiciones nos encontramos en el régimen laminar. Joseph Louis Lagrange (1736-1813) presentó una ecuación (lagrangiana) diferente, pero equivalente, en 1760. Más tarde otras leyes físicas fueron agregadas a las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los fluidos. |
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Cuando entre dos partículas en movimiento existe gradiente de velocidad, o sea que una se mueve más rápido que la otra, se desarrollan fuerzas de fricción que actúan tangencialmente a las mismas. Las fuerzas de fricción tratan de introducir rotación entre las partículas en movimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir la rotación. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se pueden producir diferentes estados de flujo. Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energía, el resultado final es un movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas, y todas las partículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria. Este tipo de flujo se denomina “laminar”, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas o láminas. Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma errática. Éste tipo de flujo se denomina "turbulento". Existen tres parámetros físicos que describen las condiciones de flujo, estos son:
Los parámetros se combinan en un parámetro llamado número de Reynolds Re = V. L / n V = Velocidad L = Longitud n = Viscosidad cinemática Para números de Reynolds bajos el flujo es laminar, y para valores altos el flujo es turbulento. |
El experimento de Reynolds
En 1883, Osborne Reynolds (1842-1912) un físico británico observó que cuando el agua fluye lentamente fuera de un recipiente a través de un largo tubo y el flujo está marcado con tinta, a la entrada del tubo un filamento de tinta a baja velocidad puede ser visto. Las partículas de tinta se difunden lentamente y no tienen tiempo de diseminarse. A este flujo se le llama " laminar". Si se incrementa la velocidad por encima de un valor crítico, a cierta distancia de la entrada del tubo un repentino cambio ocurre. En este caso, puede verse un movimiento desordenado en el filamento de tinta que llamó movimiento "turbulento".
Flujo laminar
Flujo Turbulento
Reynolds probó disminuir y aumentar la viscosidad del fluido, calentando y enfriando el agua respectivamente. El experimento comprobó que en todos los casos existe una velocidad crítica, y que esta varía en proporción directa con la viscosidad del flujo.
El aparato original usado por Reynolds está en el laboratorio del departamento de Ingeniería de la Universidad de Manchester. Se intentó repetir el experimento, pero el intenso tránsito de las calles de Manchester hizo que el valor crítico fuera sustancialmente más bajo que el hallado una centuria atrás.
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Materiales:
Dos cilindros circulares con diámetros diferentes, tinta, almíbar
Procedimiento:
Coloca almíbar entre los dos cilindros. Agrega unas pocas gotas de tinta en el almíbar. Rota el cilindro interior (cuidando de que el cilindro exterior no lo haga). Si la rotación se detiene después de unas pocas revoluciones y el cilindro interior se hace girar en el otro sentido, la mancha de tinta que fue diseminada anteriormente, retomará casi su configuración original. Esta reversibilidad es característica de bajos números de Reynolds (sin turbulencia).
Materiales:
Dos placas rectangulares de vidrio (una de 20 x 30 cm y otra de 20 x 35 cm), cinta adhesiva a prueba de agua, plastilina, pegamento soluble en agua, cristales de permanganato de potasio, aguja de coser, cartón.
Procedimiento:
Corta dos rectángulos de cartón de 30 cm de largo y 1 cm de ancho. También
un disco de cartón de 4 cm de diámetro. Posiciona el disco en el medio de la
placa de vidrio más pequeña. Apoya encima la otra placa de vidrio (podrás
hacerla coincidir con la otra placa por uno solo de sus lados). Pega con cinta
adhesiva las tiras de cartón a uno y otro lado de las placa de vidrio y sella
la parte inferior (aquella en la que coinciden ambas placas) con plastilina. Con
la aguja haz dos agujeritos a través de ella. Usa la plastilina para armar un
recipiente a través del cual la placa más larga se extienda sobre la más
corta. Asegura unos cristales grandes de permanganato de potasio en la base del
recipiente (a intervalos regulares). Coloca agua en el recipiente, el agua
escurrirá lentamente y cada cristal producirá una línea de líquido coloreada
que representará el patrón de movimiento a través de nuestro aparato.
Esta celda de flujo nos permite ver el movimiento de un fluido alrededor de un obstáculo (para números de Reynolds bajos). En este caso el disco de cartón es el obstáculo y el movimiento será simétrico respecto del eje del disco (que es paralelo al flujo). Para números de Reynolds mayores la simetría desaparece.
| Reynolds observó que la transición del flujo laminar al turbulento se da a valores específicos (críticos) de números de Reynolds. La turbulencia se genera por contrastes térmicos y de velocidad en el flujo y es eliminada por la fuerza de viscosidad en un proceso llamado disipación. La disipación es irreversible y transforma la energía cinética del movimiento en calor. |
Transición de flujo laminar a turbulento
Materiales:
Botella de plástico, largo tubo de plástico, tubo corto, tinta.
Procedimiento:
Conecta
la botella al suministro de agua por medio de un tubo largo. Haz dos orificios
en la botella (uno en la base y otro en la parte lateral de la botella). El agua
puede drenar por la base de la botella. Inserta otro tubo en el orificio lateral
y pégalo allí. Llénalo con tinta. Observa la traza de tinta en el interior de
la botella.
Si la velocidad del flujo es lenta, la traza de tinta es estrecha y recta.
Sigue el eje del flujo (flujo laminar). Si aumentas la velocidad del flujo, la
traza de tinta se vuelve irregular y finalmente se tiñe el interior de la
botella (flujo turbulento).
También puedes observar el humo de un cigarrillo... Observa que cerca del cigarrillo el humo asciende liso y tranquilo. Más lejos forma remolinos. Esto se debe a que inicialmente el flujo es laminar, pero más arriba, la velocidad se incrementa y el flujo se hace turbulento.
Materiales:
Vaso de agua, tinta
Procedimiento:
Agrega unas pocas de tinta en un vaso de agua. No lo agites. Después de unos minutos la tinta se mezclará con el agua. Repite el experimento, pero ahora agita el vaso. La mezcla se producirá mucho más rápidamente.
La difusión es un proceso en el que el calor y la masa se distribuyen en un fluido a través de sus movimientos. En el primer caso, la mezcla se debe a un flujo laminar y una difusión molecular. En el segundo caso, agitar el vaso transforma el flujo laminar en turbulento y la difusión también es turbulenta.
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La turbulencia es la causa que determina la dispersión de contaminantes en la atmósfera. El grado de estabilidad de la atmósfera es el condicionante básico de la forma de dispersión. Observemos el penacho de contaminación de una chimenea:
Puedes hacer una simulación utilizando una grilla y una moneda de la siguiente manera... Imagina que las partículas se mueven de a cortos periodos de tiempo de un punto al otro de la grilla horizontalmente y hacia la derecha. Al mismo tiempo y de manera aleatoria lo hacen hacia arriba o hacia abajo. El tipo de desplazamiento vertical puedes elegirlo lanzando una moneda. Si sale "cara" irá hacia arriba, si sale "ceca" irá hacia abajo. Repítelo para varias partículas. Ahora mira el dibujo que te ha quedado..Sí, se parece bastante al humo de una chimenea cuando la estratificación de la atmósfera es inestable.
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