Es un juego de piscina común: fuerce una pelota flotante bajo el agua y déjela ir. La pelota salta a la superficie y salta al aire. Pero, sumerja la pelota más profundamente bajo el agua y el efecto a menudo es decepcionante. Contrariamente a nuestra intuición,aumentar la profundidad de liberación a menudo conduce a una altura emergente disminuida.
Esta simple pregunta de dinámica de fluidos ha desconcertado a los físicos durante décadas, pero un nuevo estudio publicado el 1 de noviembre Fluidos de revisión física , ofrece una nueva perspectiva del fenómeno y puede aclarar temas relacionados con la dinámica de salida de agua y la ingeniería oceánica.
Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Utah, Dartmouth College y la Universidad Brigham Young utilizó imágenes de alta velocidad y velocimetría de imágenes de partículas para describir por qué las esferas flotantes que ascienden a través de un fluido no siempre se comportan de la manera que esperamos.
"La altura emergente depende de la velocidad de la esfera en el punto en que rompe la superficie libre", dijo el investigador principal y profesor asistente de ingeniería mecánica en la USU, Tadd Truscott. "No importa qué tan profunda sea la bolaes cuando se libera. Hay una serie de factores que afectan su velocidad y trayectoria hasta que llega a la superficie ".
Durante el ascenso, las estructuras de estela y vórtice a menudo se forman alrededor de la esfera. El desprendimiento de vórtice asimétrico y las formaciones de estela pueden alterar el movimiento ascendente de una esfera y dar como resultado una trayectoria no lineal. Los autores demuestran que las esferas ascendentes generalmente caen en una de dos categorías de aceleración: 1 un régimen vertical, o 2 un régimen oscilatorio.
"El régimen vertical exhibe una trayectoria submarina casi vertical y da como resultado las alturas emergentes más grandes", explica Brenden Epps, profesor asistente de ingeniería en Dartmouth y coautor del estudio. "El régimen oscilatorio exhibe una trayectoria con periodicidad periódicamovimientos laterales y resultados en alturas emergentes más bajas. A veces la pelota puede incluso romper la superficie y rozarla en lugar de elevarse en el aire ".
Para probar el comportamiento de la esfera ascendente, los investigadores sumergieron bolas de acero inoxidable en un tanque de prueba a varias profundidades y las mantuvieron en su lugar usando una ventosa conectada a un mecanismo de liberación de vacío. Después del tiempo de espera suficiente para permitir que el agua se vuelva inactiva, la succiónCup liberó la esfera mientras cuatro cámaras sincronizadas de alta velocidad registraban su ascenso.
En total, se realizaron 664 pruebas con cuatro bolas de diferentes diámetros y profundidades de liberación. Como era de esperar, las alturas emergentes máximas ocurrieron cuando las esferas se liberaron desde profundidades poco profundas. Las alturas emergentes más bajas ocurrieron cuando las esferas se liberaron de grandeslo más hondo.
Pero la conversación no termina ahí. Parte del problema de altura emergente también depende de lo que le suceda a la esfera en el punto de la ruptura de la superficie.
"Una vez que la esfera despeja la superficie, la única fuerza que actúa sobre ella es la gravedad", agregó Truscott. "Por lo tanto, la altura emergente se determina mediante una transferencia de energía cinética a la energía potencial de la esfera después de limpiar la superficie. Sin embargo,, la velocidad y, por lo tanto, la energía cinética de la esfera después de que ha despejado la superficie está dictada tanto por la velocidad a la que se acerca a la superficie establecida por la dinámica subacuática como por el cambio de velocidad durante la ruptura ".
Los autores dicen que su estudio tiene una amplia gama de aplicaciones. Una mejor comprensión de la dinámica de salida de agua, explican, puede ser útil en ingeniería marítima y biología marina.
"Los pingüinos salen del agua después de una cacería o para evitar a los depredadores", escriben. "Se ha planteado la hipótesis de que los pingüinos emperador usan burbujas liberadas de sus plumas durante el ascenso para reducir la resistencia y aumentar la velocidad de salida y la altura emergente.... Otras aplicaciones importantes del efecto emergente incluyen la salida de vehículos submarinos, estructuras marinas flotantes y convertidores de energía de las olas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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