Acá pueden ver el video de una simulación numérica de un flujo turbulento en dos dimensiones, primero en un flujo puramente bidimensional, y luego en un flujo cuasi-bidimensional con topografía. La formación de estructuras cada vez mas grandes se observa claramente:
En este otro video, si esperan hasta el final, se observa la formación de solo dos vórtices, uno con vorticidad positiva y otro con vorticidad negativa (un dipolo), que es una de las estructuras mas grandes que pueden generarse en un dominio periódico manteniendo una vorticidad media nula:
Finalmente, en este video pueden ver el flujo en una película de jabón, una de las formas de estudiar flujos bidimensionales en el laboratorio:
Les dejo varias imágenes y videos de turbulencia isótropa y homogénea. Comencemos por algunas simulaciones realizadas por nuestro grupo de investigación. La siguiente imágen muestra el resultado de aumentar la resolución espacial (y el número de Reynolds) en simulaciones numéricas de un flujo turbulento con condiciones iniciales de Taylor-Green:
Las regiones claras corresponden a tubos de vorticidad (“remolinos”). A medida que el número de Reynods aumenta, la separación entre las escalas mas grandes (la escala de inyección) y las mas chicas (la escala de disipación, correspondiente a los remolinos mas pequeños) también aumenta (es decir, los tubos de vorticidad se vuelven mas delgados).
La siguiente imágen muestra zooms sucesivos en la última simulación de la secuencia anterior. Notar que el flujo parece ser auto-semejante (aunque estrictamente no lo es):
Ambas visualizaciones muestran solamente las regiones del flujo con vorticidad muy grande, una práctica bastante usual a la hora de visualizar simulaciones de flujos turbulentos. Otra forma de visualizar estos flujos (especialmente en el laboratorio) es usando partículas trazadoras. El siguiente video muestra el flujo turbulento en un cilindro, entre dos propulsores que giran en sentido contrario:
Sin embargo, la mayoría de las personas al escuchar “turbulencia” visualizan lo siguiente:
Lo cual es correcto, porque esta es (entre otras) una de las consecuencias palpables de la turbulencia de pequeña escala en la atmósfera. Otra (bastante mas benévola) es el centelleo de las estrellas:
En el siguiente video pueden ver un time-lapse de ondas de sotavento (en diferentes días) en la ladera Este de las montañas Rocosas en Colorado, Estados Unidos. Noten que las nubes se encuentran en posiciones estacionarias, aunque claramente hay viento que las atraviesa:
El siguiente video tiene una descripción de las ondas de sotavento, discute el efecto que pueden tener en la aviación, y hacia el final muestra algunas imágenes satelitales:
Los interesados en fenómenos de generación de ondas de sotavento en escalas mas grandes (y en particular, en la generación de centros ciclónicos por forzado orográfico), pueden mirar esta página web que tiene una descripción breve del fenómeno, o leer este paper que tiene una descripción mucho mas completa. Las mayoría de las herramientas necesarias para entender el paper ya las vimos en clase.
Finalmente, les dejo este video sobre ondas de gravedad. Lo mejor del video son las frases de la persona que lo graba y los comentarios de los usuarios de YouTube (pueden verlos acá). ¡Para la mayoría es claro que estas ondas tienen que ser el resultado de un arma secreta para controlar el clima, o estar relacionadas con ovnis y extraterrestres! Como ustedes ya saben, la explicación correcta del fenómeno es bastante mas sencilla. Y la explicación a los comentarios mas desenfrenados en YouTube es que no se está enseñando suficiente ciencia en las escuelas:
En la clase de hoy vamos a ver como la rotación permite la aparición de algunas soluciones muy importantes en geofísica (y en particular, en meteorología ). Aquí dejo un video con muchos detalles sobre la formación de columnas de Taylor en un experimento que pueden reproducir en sus casas:
La formación de viento térmico es un poco mas difícil de reproducir (y de visualizar), pero el siguiente video hace un trabajo aceptable explicando el fenómeno:
En la clase de hoy comenzamos a estudiar el efecto de la rotación en la dinámica de fluidos. Muchos de esos efectos no son triviales, y son muy importantes en la atmósfera, los océanos, y en el interior de las estrellas. Aquí pueden ver un video introductorio para repasar el efecto de la fuerza de Coriolis:
Aunque cuando conocieron esta fuerza en Física 1 probalmente les pareció una fuerza poco importante, vamos a ver que la misma fuerza en medios contínuos tiene efectos desconcertantes.
Hoy comienza la materia. Como motivación, aquí van a encontrar varios ejemplos de diferentes flujos geofísicos que vamos a considerar a lo largo de la materia:
Ondas de gravedad internas:
Estas ondas juegan un rol muy importante en la atmósfera, y son el resultado de perturbar un flujo establemente estratificado:
Ondas de Rossby:
Las ondas de Rossby ocurren en flujos rotantes, y juegan un papel importante en la atmósfera y los océanos pero también en objetos astrofísicos. Pueden ver un video que ondas de Rossby en la atmósfera aquí. Y observaciones sobre ondas de Rossby en el océano aquí. El siguiente video muestra observaciones recientes de ondas de Rossby en el Sol:
Columnas de Taylor:
Los flujos rotantes suelen organizarse en estructuras con forma de columnas, con comportamiento independiente de la dirección a lo largo del eje de rotación. El siguiente video ilustra la formación de una columna de agua “quieta” por encima de un obstáculo, de forma tal que la tinta (que se encuentra en un nivel mas alto que el del obstáculo) se ve obligada a bordearla.
Auto-organización y turbulencia:
La turbulencia no siempre resulta en un flujo desordenado. En dos dimensiones (un caso relevante para atmósferas delgadas o en flujos rápidamente rotantes) la turbulencia puede resultar en la auto-organización del flujo y en la formación de grandes vórtices:
Bienvenidos a la página de la materia Dinámica de flujos geofísicos (para doctorado), o Temas avanzados de fluidos (para grado). Los estudiantes de doctorado pueden inscribirse (en el sistema de inscripción de la facultad) en la página de inscripciones de la materia de grado.
La materia se dictará en el Departamento de Física durante el segundo cuatrimestre de 2017. El objetivo de la materia es estudiar, desde primeros principios, diversas aproximaciones que se utilizan para modelar flujos en la atmósfera, en los océanos, y en otros contextos geofísicos y de física espacial como el núcleo terrestre o el medio interplanetario. Entre otros problemas consideraremos la predictibilidad en flujos geofísicos (¿por cuánto tiempo se puede predecir el estado de la atmósfera?), cómo se generan vientos y flujos de gran escala en estos sistemas, la turbulencia en la atmósfera y los océanos, y cómo se genera y sostiene el campo magnético de la Tierra.
La carga horaria de la materia es de 10 horas semanales, durante todo el cuatrimestre, con 4 horas de teórica y 6 de práctica por semana. La práctica consistirá en la resolución de ejercicios teóricos y numéricos, para lo que se utilizarán diversos programas para modelar flujos geofísicos. El mecanismo de evaluación de la materia constará en la entrega de informes sobre cada uno de los trabajos prácticos, y un examen final.
