Turbulencia

No todo el fluido es laminar. En un flujo turbulento, el agua gira errática. La velocidad en un determinado punto puede cambiar en valor y dirección. Para que haya un flujo turbulento depende el la velocidad del fluido, su viscosidad, su densidad, y el tamaño del obstáculo que se encuentra. Un único número, llamado número de Reynolds, puede ser utilizado para prevenir el surgimiento de turbulencia. Para el flujo alrededor de un cilindro de diámetro D, tenemos que

número de Reynolds = densidad . D . velocidad / viscosidad

El número de Reynolds no posee unidades. Las unidades del lado derecho de la ecuación se cancelan. El número aumenta con la velocidad y disminuye con la viscosidad. La turbulencia surge cuando el número de Reynolds es mayor que 2300.

Cuando hay turbulencia, la ecuación de Bernoulli no es válida. Ella fue deducida por igualarse las fuerzas de presión necesarias para cambiar la energía potencial y la energía cinética ordenada del fluido. Bajo turbulencia el fluido gana energía cinética desordenada. Se necesita más trabajo, y una diferencia mayor de presión también es necesaria para mover un fluido a una determinada velocidad.

Solo en tiempos recientes los científicos pudieron tener una visión más profunda acerca de los patrones observados en un flujo turbulento bajo distintas circunstancias. El estudio del caos no está ayudando a abrir nuevos horizontes de pesquisa en muchos fenómenos de turbulencia, tales como los cambios climáticos, la atmosfera de Júpiter, etc.

Mancha roja de Júpiter. ¿Es explicada por la teoría del caos?

El dibujo abajo muestra el flujo de aire pasando por un cilindro mientras la velocidad del aire aumenta, y por lo tanto, el número de Reynolds aumenta. En los dibujos  1 – 3 el número de Reynolds es menor que 2000, en el dibujo 4 es de aproximadamente 10000, y en el dibujo 5 está por encima de 100000.

Los dos primeros dibujos muestran el flujo laminar en pequeñas velocidades. El aire queda directamente parado antes y detrás del cilindro. La presión es mayor en ese punto. Pero, la fuerza resultante sobre el cilindro a causa de la diferencia de presión en el cilindro es aproximadamente cero. No existe presión de arrastre.

En el dibujo 4 vórtices de turbulencia se formaron. El aire detrás del cilindro no disminuye la velocidad y la presión decrece detrás del cilindro. Por la alta presión en la región adelante del cilindro, él sufre una presión de arrastre. Eso pasa con un número de  Reynolds de aproximadamente 2000 a 100000.

La presión de arrastre es mucho mayor que la resistencia a la causa de la viscosidad. Ella puede decrecer rápidamente la velocidad que un objeto puede moverse a través del fluido. Un objeto lanzado al aire para arriba, a veces parece parar en el aire y caer verticalmente para el suelo. Podemos observar claramente eso si lanzamos con fuerza un balón lleno de aire verticalmente para arriba.

Al paso que con la velocidad del aire aumenta y el número de Reynolds se llega a ser mayor que 100000, una región turbulenta se genera. Las líneas de fuerza se separan del cilindro y envuelven la capa de turbulencia, conforme el dibujo 5. Tenemos algo similar a un flujo laminar alrededor del objeto pero de manera distinta. La presión detrás del objeto aumenta de nuevo y la presión de arrastre es reducida drásticamente. Por eso, la mejor forma de disminuir la resistencia a causa de la turbulencia es aumentando la velocidad del objeto en el fluido, por ejemplo un avión.