Turbulencia para niños
La turbulencia o flujo turbulento es un tipo de movimiento en los líquidos y gases que se caracteriza por ser desordenado y con cambios rápidos. Imagina el humo que sale de una vela: al principio sube de forma suave y recta (eso es un flujo laminar), pero luego empieza a ondularse y mezclarse de forma caótica (eso es turbulencia).
Cuando un líquido o gas se mueve a baja velocidad, su flujo suele ser suave y ordenado, como si las partículas se deslizaran en capas. Pero si la velocidad aumenta, en algún momento el flujo se vuelve turbulento. En este estado, aparecen pequeños remolinos o vórtices de diferentes tamaños que interactúan entre sí, haciendo que el movimiento sea mucho más complejo.
Contenido
¿Qué es la turbulencia y cómo se forma?
La turbulencia es un fenómeno común en la naturaleza y en muchas aplicaciones de la ingeniería. Aunque es fácil de observar, es difícil dar una definición exacta y precisa. Sin embargo, la mayoría de los científicos están de acuerdo en algunas características clave de los flujos turbulentos.
Características principales de la turbulencia
Cuando un fluido se vuelve turbulento, muestra ciertas propiedades:
Impredecibilidad del movimiento
El movimiento de un fluido turbulento es muy irregular y caótico. Esto significa que es casi imposible predecir exactamente cómo se moverá cada partícula en un momento dado. Es como intentar predecir la trayectoria exacta de cada hoja que cae de un árbol en un día ventoso. Por eso, los científicos suelen usar métodos estadísticos para estudiar la turbulencia, analizando promedios y patrones generales en lugar de movimientos individuales.
Movimiento en tres dimensiones
Los remolinos y el movimiento de la turbulencia ocurren en todas las direcciones: arriba y abajo, de lado a lado, y hacia adelante y hacia atrás. Es un movimiento tridimensional que involucra muchos vórtices (remolinos) que giran y se mueven. La forma en que estos vórtices interactúan es muy importante para entender la turbulencia.
Capacidad de mezcla (difusividad)
Una de las propiedades más importantes de la turbulencia es su capacidad para mezclar cosas. Si añades una gota de tinta a un vaso de agua en calma, tardará en mezclarse. Pero si agitas el agua (creando turbulencia), la tinta se dispersará rápidamente. Esto es útil en ingeniería para mezclar sustancias, transferir calor o mover masa de un lugar a otro de forma eficiente.
Amplio rango de tamaños de remolinos
En un flujo turbulento, no hay un solo tamaño de remolino. Existen remolinos grandes que se rompen en remolinos más pequeños, y estos a su vez en otros aún más pequeños, hasta que la energía se disipa. Esto significa que la turbulencia ocurre en muchas escalas de tamaño y tiempo diferentes.
¿Cómo se estudia la turbulencia?
Aunque las ecuaciones de Navier-Stokes (que son ecuaciones matemáticas que describen cómo se mueven los fluidos) existen desde el siglo XIX, entender exactamente cómo comienza la turbulencia fue un misterio durante mucho tiempo.
Teorías sobre el inicio de la turbulencia
Inicialmente, el matemático francés Jean Leray propuso en 1934 que la turbulencia era un efecto a gran escala de la estructura atómica de los fluidos. Sin embargo, esta idea fue reemplazada por otras más realistas.
Más tarde, en 1944, el físico Lev Landau propuso una idea diferente. Él pensó que la turbulencia se forma cuando un flujo estable de un fluido empieza a adquirir movimientos de vibración adicionales, uno tras otro. Es como si a un movimiento suave se le fueran añadiendo más y más movimientos periódicos hasta que se vuelve completamente caótico. Este proceso de añadir nuevas vibraciones se conoce como bifurcación de Hopf.
Durante un tiempo, esta teoría fue muy aceptada porque era más sencilla de entender y permitía hacer cálculos. Sin embargo, experimentos realizados en la década de 1970 mostraron que no era del todo precisa y que otra teoría, la de Ruelle-Takens, explicaba mejor lo que sucedía en la realidad.
La cascada de energía
En la turbulencia, la energía se mueve de los remolinos grandes a los remolinos más pequeños. Este proceso se llama "cascada de energía". Los remolinos grandes obtienen energía de la fuente de movimiento (como el ala de un avión o un obstáculo en un río). Luego, estos remolinos grandes se rompen en otros más pequeños, transfiriéndoles su energía. Este proceso continúa hasta que los remolinos son tan pequeños que la viscosidad del fluido (su resistencia a fluir) los disipa, convirtiendo su energía en calor.
Turbulencia en la atmósfera
La turbulencia atmosférica es la agitación del aire que sentimos, por ejemplo, en un avión o cuando el viento cambia de dirección y fuerza de repente. Se clasifica según lo que la causa:
- Turbulencia mecánica: Ocurre cuando el viento choca con obstáculos como edificios, montañas o árboles. Estos objetos interrumpen el flujo suave del aire.
- Turbulencia convectiva (o termal): Se forma cuando el aire frío pasa sobre masas de aire caliente, o cuando el suelo se calienta mucho por el sol y calienta el aire que tiene encima. El aire caliente sube y el frío baja, creando movimientos turbulentos.
- Turbulencia frontal: Se produce cuando un frente frío (una masa de aire frío que avanza rápidamente) se encuentra con aire más cálido. Esto puede causar ráfagas de viento muy fuertes.
Algunos tipos específicos de turbulencia en el aire son:
- Estela turbulenta: Es la turbulencia que se forma detrás de las alas de un avión. Se debe a la forma en que el aire se mueve alrededor del ala para generar sustentación.
- Turbulencia de aire claro (CAT por sus siglas en inglés): Es un tipo de turbulencia que ocurre a gran altura (más de 4500 metros) y es difícil de ver porque no hay nubes, polvo o partículas que la indiquen. Se produce por la interacción de capas de aire que se mueven a velocidades muy diferentes, a menudo asociadas con corrientes de viento rápidas llamadas "corrientes en chorro" (jetstream).
- Ondas de montaña: Son causadas por la turbulencia que se forma cuando el viento fuerte choca con una montaña. El aire se ve forzado a subir y bajar, creando ondas turbulentas al otro lado de la montaña.
La intensidad de la turbulencia se clasifica según la velocidad del aire y la "carga" (la fuerza que siente un avión):
| Tipo | Velocidad (nudos) | Carga (g) | Variación (pies) |
|---|---|---|---|
| Ligera | 5 a 14,9 | 0,20-0,49 | 300' - 1199' |
| Moderada | 15 a 24,9 | 0,5-0,99 | 1200' - 2099' |
| Severa | > a 25 | 1,0-1,99 | 2100' - 2999' |
| Extrema | -------------- | > 2,0 | > a 3000' |
Véase también
En inglés: Turbulence Facts for Kids
- Flujo turbulento
- Flujo laminar
- Capa límite
- Convección atmosférica
