:Estructura de la Materia 1:

Este post está motivado por los que preguntaron por experimentos con fluidos que puedan hacerse en unas pocas semanas como prácticas especiales de laboratorio.

A pedido del público, les paso un paper que describe experimentos para estudiar la dualidad onda-partícula usando gotas que rebotan sobre la superficie de un fluido. En el experimento usan aceite sintético en un recipiente que oscila con baja frecuencia. Las gotas rebotan sobre la superficie y ganan impulso lineal por la curvatura de la superficie libre asociada a las ondas, generando ondas-partículas que se mueven en trayectorias rectas (en el paper, estas estructuras son llamadas “walkers”).

Algo muy interesante es que con esta configuración pueden estudiar interferencia y difracción de ondas-partículas en escalas macroscópicas, interacciones entre dos partículas, y hasta efecto túnel. El experimento es fácil de realizar; pueden encontrar todos los detalles en las referencias citadas al final del artículo.

Otra experiencia divertida tiene que ver con una técnica muy usual para medir el campo de velocidadies (PIV = Particle Image Velocimetry). En esta página hay una descripción del método. Como trazador, pueden usar rodamina o alguna otra substancia que sea fluorescente en el visible. Hay software gratuito para Matlab para calcular el campo de velocidades a partir de las imágenes, vean por ejemplo esta página.

Hoy volvemos a uno de los primeros temas que discutimos. Medianamente relacionados, les dejo unos videos de la destrucción del puente de Tacoma:

http://www.youtube.com/watch?v=P0Fi1VcbpAI
http://www.youtube.com/watch?v=HxTZ446tbzE

Un video de visualización del flujo alrededor de un ala (de un departamento de ingeniería!) que muestra la pérdida de sustentación cuando crece el ángulo de ataque:

http://www.youtube.com/watch?v=6UlsArvbTeo

Una imagen muy impresionante del vórtice que se desprende del extremo de un ala en una avioneta (tengan en cuenta la escala):

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Airplane_vortex_edit.jpg

Gracias a Pablo Montero, que me paso todos los links que siguen. Unas muy buenas fotos de vórtices que se desprenden de alas en aviones comerciales:

http://www.airliners.net/photo/First-Choice-Airways/Boeing-757-2B7/1008033/L/
http://www.airliners.net/photo/British-Airways/Boeing-777-236-ER/1091105/L/
http://www.airliners.net/photo/Virgin-Atlantic-Airways/Boeing-747-443/0892875/L/
http://www.airliners.net/photo/Thomsonfly-(Britannia-Airways)/Boeing-767-304-ER/0999242/M/

Una foto de los vórtices generados por las hélices de un Hercules:

http://www.airliners.net/photo/Morocco—Air/Lockheed-KC-130H-Hercules/1618990/L/

Imágenes de condensación alrededor del ala y desprendimiento de vórtices:
http://www.airliners.net/photo/Northwest-Airlines/McDonnell-Douglas-DC-10-30/1206569/L/
http://www.airliners.net/photo/Thai-Airways-International/Airbus-A340-642/0940407/L/

Y finalmente una imágen del Concorde:

http://www.concordesst.com/pictures/vortex.jpg

Preparé unos videos para Windows Media Player sobre el estudio de turbulencia en flujos bidimensionales en el laboratorio. Las experiencias se realizan haciendo fluir una delgada película de jabón a lo largo de dos alambres que sirven como guía. Las regiones oscuras corresponden a vórtices, noten como los vórtices interactúan entre si y a medida que el flujo evoluciona la escala característica de los vórtices aumenta. Los videos estan disponibles acá y acá.

Otros videos con burbujas están disponibles en:
http://www.youtube.com/watch?v=I7kaW8AsnRg
http://www.youtube.com/watch?v=vMTup_KsVgU

Un video de una gota cayendo en la superficie de un líquido:
http://www.youtube.com/watch?v=nUu_qQWqtfg

Un video muy impresionante de un jet rebotando en la superficie de un líquido:
http://www.youtube.com/watch?v=HEAmwXTPZMQ

Finalmente, delfines jugando con burbujas en forma de anillo:
http://www.youtube.com/watch?v=TMCf7SNUb-Q

Dos videos mostrando barcos de Flettner que usan el efecto Magnus (un modelo a escala y un barco en el río Nilo):

http://www.youtube.com/watch?v=__8-QSXgupA
http://www.youtube.com/watch?v=ao8RfUermdw

La página de la fundación Cousteau con detalles del barco “Alcyone”:

http://www.cousteau.org/about-us/alcyone

Una página con diseños historicos de aviones con cilindros rotantes en lugar de alas, que usan la fuerza de sustentación asociada al efecto Magnus para volar (si vuelan!):

http://www.pilotfriend.com/photo_albums/potty/2.htm

Finalmente, la página de una empresa que publicita un prototipo de auto volador basado en el efecto Magnus (para que vean que con la física también se puede ganar dinero):

http://www.icar-101.com/icar/index.php?/eng

En Mathematica, curvas de nivel (curvas correspondientes a valores constantes de una función) se grafican con el comando “ContourPlot”. La sintaxis es:

ContourPlot[funcion, {x,xmin,xmax}, {y,ymin,ymax}, opciones]

donde xmin, xmax, ymin y ymax son los extremos mínimos y máximos para los ejes x e y en el gráfico. De las opciones, la mas útil es “PlotPoints”, que permite cambiar el número de puntos que Mathematica usa en cada eje para calcular las curvas de nivel (el valor por default es 15, que puede ser insuficiente en muchos casos).

Como ejemplo, para un vórtice puntual en el origen, las función corriente es proporcional a log(x^2+y^2), y las lineas de corriente se pueden graficar con el comando

ContourPlot[Log[x^2 + y^2], {x, -2, 2}, {y, -2, 2}, PlotPoints->50]

En Material Adicional puse un archivo de Mathematica con muchos mas ejemplos, que muestra como a partir de un potencial complejo pueden calcular la función potencial y de corriente, como se grafican lineas equipotenciales y de corriente, y como se calculan las componentes de la velocidad y los puntos de estancamiento.

Este viernes (16 de abril), Esteban Calzetta hablará sobre “Física fundamental y turbulencia” en el marco del ciclo de charlas para estudiantes “¿Postre, estas ahí?”, a las 15 hs en el aula 8 del Pabellón 1. Para los que puedan asistir, les recomiendo fuertemente la charla.

Varias demostraciones del principio de Bernoulli, con experimentos que pueden hacer en sus casas:

http://www.efluids.com/efluids/gallery_exp/exp_pages/BendingPaper.jsp
http://www.efluids.com/efluids/gallery_exp/exp_pages/spoon.jsp
http://www.efluids.com/efluids/gallery_exp/exp_pages/TwoBalls.jsp

El principio fundamental en ambos casos es el mismo; en regiones en las que el fluido se mueve con mayor velocidad, la presion es menor, resultando en una fuerza que apunta en sentido contrario al gradiente de presion.

En el link de guias ya están disponibles las guías de trabajos prácticos 3 y 4, con lo que terminamos con todas las guias necesarias para el primer parcial.

Les paso tambien varios videos para aprender los conceptos de lineas de corriente, trazas y trayectorias a partir de métodos experimentales de visualización en fluidos.

Primero, flujos a traves de cilindros, en los casos laminar y turbulento:

http://www.youtube.com/watch?v=j6yB90vno1E
http://www.youtube.com/watch?v=_AJgEa2dbJU

Un video (viejo, pero muy completo) sobre tecnicas usuales de visualizacion en fluidos, en tres partes. En la primer parte, empezando en el minuto 3:13, hay diferentes visualizaciones de flujos en tuberias que se angostan, comparando lineas de corriente,
trazas, trayectorias, y otros conceptos:

http://www.youtube.com/watch?v=DOUfyDHxkYQ
http://www.youtube.com/watch?v=rDhSdtMjSpA
http://www.youtube.com/watch?v=uewkm_pKXOc

Finalmente, la pagina web de un curso en la Universidad de Colorado sobre visualizacion en fluidos, para estudiantes de fisica y de arte. Miren las galerias de imagenes (la pagina tambien tiene clases en formato PDF sobre fluidos y tecnicas de visualizacion):

http://www.colorado.edu/MCEN/flowvis/index.html

Dos galerías interesantes con imágenes de fluidos:

http://www.efluids.com/efluids/pages/gallery.htm

http://scitation.aip.org/pof/gallery/2009toc.jsp

En el primer link, “Gallery 1″ tiene varias visualizaciones de vorticidad en fluidos. El segundo link muestra los ganadores de un concurso de visualización de fluidos del 2009, con aplicaciones muy variadas (hay varios videos).