:Estructura de la Materia 1:

Este post va a ser largo. Como ya aviso Guillermo, el viernes (mañana) hay teórica. Va a ser la última teórica de la materia.

Vayamos a los últimos temas de la materia.  El video del siguiente link muestra ondas de gravedad en la atmósfera. Estrictamente hablando, son ondas de gravedad internas (asociadas a la estratificación en densidad de la atmósfera, en lugar de una superficie libre). Las ondas pueden verse muy claramente:

http://www.youtube.com/watch?v=yXnkzeCU3bE

Mañana vamos a ver flujos compresibles y (si el tiempo nos alcanza) ondas de choque. Uno de los primeros dispositivos que creó el hombre que rompieron la barrera del sonido es el látigo. El chasquido del lático es producido cuando la punta excede la velocidad del sonido, generando ondas de choque. Un paper que explica el fenómeno pueden verlo acá:

Dinámica del látigo

Finalmente, les dejo un video de vuelo supersónico y generación de ondas de choque (la generación puede verse claramente gracias a la condensación de vapor de agua). Les aconsejo que miren el video con el audio prendido, asi escuchan el “sonic boom”:

http://www.youtube.com/watch?v=Ta14puDV0VI

El tema que empezamos a ver en la última clase, turbulencia, permite realizar visualizaciones de flujos muy atractivas. Pueden ver algunas galerías de imágenes y videos de simulaciones numéricas de estos flujos en:

http://www.vapor.ucar.edu/gallery/image
http://www.stanford.edu/group/ctr/gallery.html

Dos videos de YouTube mostrando flujos laminares y turbulentos en una tubería (la experiencia de Reynolds), y del flujo turbulento en la estela detrás de un cilindro:

http://www.youtube.com/watch?v=nl75BGg9qdA&NR=1
http://www.youtube.com/watch?v=0H63n8M79T8

Les dejo también un artículo divulgativo pero muy completo sobre problemas actuales en el estudio de la turbulencia (pueden leerlo aquí). También pueden ver una presentación en formato PowerPoint sobre las leyes de potencia que se observan en astrofísica asociadas a turbulencia en “the big power law in the sky“. El espectro en este trabajo probablemente corresponda al espectro de ley de potencias con mayor separación de escalas que se conoce.

Finalmente, dejo algunas imágenes de flujos turbulentos obtenidas por nuestro grupo. En orden, las imágenes muestran simulaciones numéricas de turbulencia hidrodinámica en tres dimensiones, turbulencia en fluidos rotantes (observen las “columnas de Taylor” que aparecen en el flujo), turbulencia de fluidos conductores en tres dimensiones, y en dos dimensiones (resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes y de Maxwell acopladas). En los dos primeros casos, los colores corresponden a regiones diferente intensidad de vorticidad. En los dos segundos, corresponden a regiones con diferente intensidad de densidad de corriente eléctrica.

http://www.df.uba.ar/users/mininni/estructura1/turb3D.jpg
http://www.df.uba.ar/users/mininni/estructura1/rotating.jpg
http://www.df.uba.ar/users/mininni/estructura1/mhd3D.jpg
http://www.windows2universe.org/physical_science/…

La inestabilidad de Rayleigh-Taylor es común en astrofísica cuando se tienen dos fluidos con distinta densidad acelerados (por ejemplo, en una supernova). Puede observarse en el laboratorio en la interfaz entre dos fluidos con diferente densidad bajo la acción de la gravedad, cuando el fluido con mayor densidad está arriba. Es la última inestabilidad que vimos la clase pasada, y en este post les dejo varias imágenes que ilustran su evolución lineal y no-lineal.

Imágenes de la inestabilidad en simulaciones numéricas pueden verse en:
http://www.astro.virginia.edu/VITA/ATHENA/rt.html

Pueden ver un video en:
http://scitation.aip.org/pof/gallery/video/2005/908509phfenhanced.mov

La inestabilidad está asociada a los filamentos que se observan en remanentes de supernovas y nebulosas. Les recomiendo ver las siguientes imágenes, muy impactantes:

http://astronomy2008.files.wordpress.com/2008/09/eagle-nebula-m16.jpg
http://astronomy2008.files.wordpress.com/2008/09/crab-nebula-m1.jpg
http://chandra.harvard.edu/photo/2007/g292/g292_xray.jpg
http://chandra.harvard.edu/photo/2007/kepler/kepler.jpg

La próxima clase vamos a comenzar el estudio de inestabilidades. Una de ellas, la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, ocurre en presencia de un gradiente en el campo de velocidades (por ejemplo, cuando hay una interfaz entre dos fluidos y el fluido superior se mueve en un sentido y el fluido superior en el sentido opuesto). Es muy importante en astrofísica y geofísica porque es responsable de la mezcla de los dos fluidos. En clase vamos a estudiar la evolución lineal, usando el método de perturbaciones. Luego de la etapa lineal, el sistema evoluciona en un régimen no-lineal. Les dejo ahora algunos videos e imágenes para que vean como la inestabilidad evoluciona tanto en su régimen lineal como no-lineal.

Un video muy corto de esta inestabilidad en el laboratorio:

http://www.youtube.com/watch?v=CL7s8h7mtPE

Unas páginas web con videos muy impresionantes de una simulación numérica de la inestabilidad en dinámica molecular (busquen el link a los videos; en la segunda página se encuentran al final):

http://www.aps.org/units/dfd/pressroom/gallery/2008/richards.cfm
http://ecommons.library.cornell.edu/handle/1813/11528

La instabilidad es común en la atmósfera. Aquí hay varias imágenes como ejemplo (¡miren las nubes!):

http://www.metvuw.com/photoofweek/photo-20080222-03.jpg
http://www.engineering.uiowa.edu/fluidslab/gallery/images/vortex16.jpg

Finalmente, una página que explica el rol de la inestabilidad en la magnetósfera terrestre (y como se estudia con la misión de cuatro sondas espaciales “CLUSTER”):

http://www.isas.jaxa.jp/e/forefront/2006/hasegawa/index.shtml

En la teórica de hoy vamos a ver capa límite de Prandtl. Si tienen tiempo, miren este artículo de Physics Today del 2005, con una historia del problema de la capa límite y de la vida de Ludwig Prandtl. El artículo discute varios aspectos históricos del problema que probablemente no tengamos tiempo de tratar en clase, así que ya sea que lo lean antes o despues de la teórica, espero que les resulte útil para entender mejor el tema.

La clase pasada comenzamos a estudiar flujos viscosos, y hablamos sobre la experiencia de Reynolds y las diferencias entre flujos laminares y turbulentos. Hoy vamos a estudiar la solución laminar del flujo en una tubería (el flujo de Poiseuille). Esta solución se observa para números de Reynolds menores a 2000. Para números de Reynolds entre 2000 y 4000, el flujo se inestabiliza y se vuelve turbulento. Les dejo dos videos de YouTube. El primero muestra flujos laminares y turbulentos en una tubería (la experiencia que discutimos), y el segundo muestra el flujo turbulento en la estela detrás de un cilindro:

http://www.youtube.com/watch?v=nl75BGg9qdA&NR=1
http://www.youtube.com/watch?v=0H63n8M79T8

Finalmente, aunque no esta relacionado con el tema, el video que está abajo es muy entretenido e ilustra un efecto interesante en fluidos. Unos delfines jugando con burbujas en forma de anillo:
http://www.youtube.com/watch?v=TMCf7SNUb-Q

Hoy empezamos con fluidos viscosos. Les dejo dos videos para que empiecen a familiarizarse con algunas de sus propiedades:

http://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50
http://courses2.cit.cornell.edu/physicsdemos/secondary.php?pfID=90

En la clase de ayer tratamos perfiles alares y el problema del vuelo. Les dejo bastante material relacionado. Primero, un tema que generó muchas preguntas es la generación de circulación atrapada en una placa que se mueve a través de un fluido con velocidad uniforme (la condición de Kutta). El link que sigue muestra visualizaciones de flujos (usando rodamina como tinte) para una placa paralela a la dirección del flujo, y para la misma placa formando un ángulo arbitrario:

http://www.youtube.com/watch?v=zsO5BQA_CZk

Para el caso de un perfil alar, el siguiente video muestra el flujo alrededor de un ala, e ilustra 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

En internet hay muchas fotos de vórtices que se desprenden de alas en aviones comerciales. Por ejemplo, una foto de los vórtices generados por las hélices de un Hercules:

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

Y algunas imágenes de condensación alrededor del ala y del desprendimiento de vórtices:

http://www.airliners.net/photo/Northwest-Airlines/McDonnell-Douglas-DC-10-30/…
http://www.airliners.net/photo/Thai-Airways-International/Airbus-A340-642/…

Un último aviso: la semana próxima comienza un curso de postgrado de dos semanas sobre dinámica de fluidos dictado por un profesor visitante (José Eduardo Wesfreid, Ecole Supérieure de Physique et Chimie de Paris) en el aula Federman. El curso es intensivo (25 horas en 4 días). Aunque el curso es para doctorado (y no otorga puntaje como materia optativa de grado), quienes estén interesados pueden asistir. La información del curso y los horarios están disponibles en:

http://df.uba.ar/users/cobelli/Curso_Posgrado_Fluidos/
http://difusion.df.uba.ar/novedades/prfsvisit.htm

A pedido del público, un post a principio de la semana.

En las últimas clases estudiamos flujos en dos dimensiones, y podrán preguntarse como pueden estudiarse estos flujos en el laboratorio. Preparé dos videos para Windows Media Player sobre experimentos de flujos “casi” bidimensionales (turbulentos). Las experiencias se realizan haciendo fluir una delgada película de jabón (con un espesor de unos pocos micrones) a lo largo de dos alambres verticales que sirven como guía. Los alambres están separados por unos 20 cm. La película fluye verticalmente por acción de la gravedad. Inicialmente el flujo es laminar, y para generar vórtices se hace pasar el flujo por el medio de un peine (no se ve en el video, pero se encuentra en la parte superior de la imágen, justo arriba del cuadro que capta la cámara). De los dientes del peine se desprenden vórtices que evolucionan “aguas abajo”.

Las regiones oscuras y claras en el video corresponden a los vórtices; noten como los vórtices interactúan entre si y como a medida que el flujo evoluciona la escala característica de los vórtices aumenta. Los videos estan disponibles acá y acá.

Estos videos se realizan con una cámara rápida (típicamente, se toman unas 2000 imágenes por segundo). Otros videos visualmente muy interesantes con cámara rápida, de burbujas en películas delgadas de jabón, están disponibles en:

http://www.youtube.com/watch?v=I7kaW8AsnRg
http://www.youtube.com/watch?v=vMTup_KsVgU

Como en la última clase práctica volvieron a ver el principio de Bernoulli, les dejo también algunos videos con experiencias caseras que ilustran el principio (algunas ya las discutimos en clase):

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

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