Vorticidad para niños
La vorticidad es una medida que nos dice cuánto está girando un líquido o un gas. Es como si viéramos un remolino en el agua o el aire. Esta medida es muy útil en el estudio de los fluidos y también en la meteorología para entender cómo se mueve el aire.
Datos para niños Vorticidad (ω) |
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|---|---|---|
| Magnitud | Vorticidad (ω) | |
| Definición | rotacional del campo de velocidad, Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \boldsymbol{\omega}= \boldsymbol{\nabla} \times \mathbf{v} | |
| Tipo | Magnitud vectorial intensiva | |
| Unidad SI | s-1 | |
Contenido
¿Qué es el campo de vorticidad?
Imagina que cada punto en un fluido tiene una flecha que indica su velocidad. El campo de vorticidad es otro conjunto de flechas que nos dice cómo gira el fluido en cada uno de esos puntos.
Matemáticamente, se calcula usando una operación llamada "rotacional" sobre el campo de velocidades.
¿Cómo se origina la vorticidad y por qué es importante?
Cuando hay vorticidad, significa que las pequeñas partes del fluido están girando. A veces, también se estiran o se encogen. En un fluido real, la vorticidad está muy relacionada con las fuerzas que actúan de lado, como cuando frotas tus manos.
¿Dónde empieza la vorticidad?
La vorticidad suele empezar cerca de las superficies sólidas. Por ejemplo, si el agua fluye por una tubería, el agua que toca las paredes se "pega" a ellas y no puede deslizarse. Esto crea una rotación inicial. Luego, esa rotación se extiende por el resto del fluido.
Para entender cómo se mueve la vorticidad, los científicos usan ecuaciones complejas. Una de ellas es similar a las Ecuaciones de Navier-Stokes, que describen el movimiento de los fluidos.
La vorticidad en fluidos sin viscosidad
En los fluidos que no son "pegajosos" (llamados fluidos ideales o no viscosos), la vorticidad se comporta de una manera especial. Un científico llamado Lord Kelvin descubrió que, en estos fluidos, la vorticidad se mantiene constante en ciertas partes. Esto significa que si un remolino se hace más estrecho, girará más rápido para mantener la misma cantidad de vorticidad.
La vorticidad y la viscosidad
En fluidos más "pegajosos" (viscosos), la rotación se "contagia" de una parte a otra. Es como cuando el calor se difunde en un objeto sólido. Las partículas que no giran pueden empezar a girar porque están cerca de otras que sí lo hacen.
Un ejemplo sencillo es un vaso cilíndrico lleno de agua. Si el vaso empieza a girar de repente, el agua que toca las paredes empieza a girar con él. Poco a poco, esa rotación se extiende a todo el agua, hasta que todo el líquido gira a la misma velocidad que el vaso. Esto demuestra cómo la viscosidad ayuda a que la vorticidad se propague.
Si el fluido es menos viscoso, tardará más tiempo en que todo el líquido gire. Si es más viscoso, el proceso será más rápido. Esto nos dice que la viscosidad está relacionada con la velocidad a la que la vorticidad se extiende.
La importancia del número de Reynolds
El número de Reynolds es un valor muy importante en el estudio de los fluidos. Nos ayuda a comparar y entender cómo se mueven diferentes fluidos. Este número tiene en cuenta el tamaño del sistema, la velocidad del fluido, su masa y las fuerzas internas.
- Cuando el número de Reynolds es bajo, la viscosidad es muy importante. Esto significa que las regiones con vorticidad (los remolinos) serán más grandes y se extenderán más.
- Cuando el número de Reynolds es alto, la viscosidad es menos importante. En este caso, las regiones con vorticidad serán más pequeñas y compactas.
Vorticidad en fluidos ideales
En los fluidos ideales (que no tienen viscosidad y no se pueden comprimir), la vorticidad es muy importante. Aunque no hay difusión de vorticidad, pueden aparecer zonas muy pequeñas donde la rotación es extremadamente fuerte. Ejemplos de esto son los vórtices y las láminas vorticosas.
Estas zonas especiales se usan mucho en el estudio de la aerodinámica. Por ejemplo, para diseñar las alas de los aviones.
La relación entre vorticidad y movimiento
Para los fluidos que no se pueden comprimir, existe una conexión muy fuerte entre la vorticidad y cómo se mueven. Esta relación es muy útil porque permite calcular el movimiento del fluido a partir de la vorticidad. Esto es especialmente útil porque la vorticidad suele ser cero en la mayor parte del fluido.
La vorticidad en la meteorología
En meteorología, la vorticidad se refiere a la rotación del aire en la atmósfera.
- Se dice que la vorticidad es ciclónica (o positiva) cuando el aire gira en sentido contrario a las agujas del reloj (en el hemisferio norte).
- Se dice que la vorticidad es anticiclónica (o negativa) cuando el aire gira en el mismo sentido de las agujas del reloj (en el hemisferio norte).
La vorticidad es muy útil para predecir el tiempo.
- Las zonas con vorticidad positiva suelen estar asociadas con nubosidad y baja presión. La baja presión hace que el aire suba, lo que forma nubes.
- Las zonas con vorticidad negativa suelen estar asociadas con cielos despejados y alta presión. La alta presión hace que el aire baje y se disperse, lo que impide la formación de nubes.
Véase también
En inglés: Vorticity Facts for Kids
- Sustentación
- Circulación
- Capa límite
- Hermann von Helmholtz
- Viscosidad
- Rotacional
- Principio de Bernoulli
- Reynolds
- Lord Kelvin
- Estela (rastro)
