Las columnas de Taylor - Experimentos

 

Experimento 1 - La "rigidez" de los fluidos rotantes

Para hacer este experimento necesitamos hacer que el fluido rote, de modo que debés conseguir una "mesa rotante". Para este experimento nosotros utilizamos muchas veces un viejo tocadiscos y funciona muy bien.

También se necesitan un par de "tachos" redondos de poco espesor de vidrio o plástico. Nosotros utilizamos simplemente dos fuentes de cocina de vidrio térmico. Finalmente, sólo te hace falta colorante vegetal (el de repostería) de dos colores diferentes (verde y rojo es ideal) y un par de pipetas de plástico (sólo valen unos centavos). Podés ver el "equipo" que a veces utilizamos en la fotografía a continuación:

Utilizamos dos fuentes de vidrio, de modo de observar simultáneamente lo que ocurre cuando el fluido no rota y cuando si rota.

Para empezar llenamos ambas fuentes con agua hasta aproximadamente la mitad, tanto la que rota como la que no, y movemos un poco el agua con la mano en ambas, de modo de generar un poco de "turbulencia". Luego agregamos (también en ambas) utilizando las pipetas pequeños "chorros" de agua coloreada con dos tonos diferentes y contrastantes. Luego observamos el comportamiento en cada caso.

En el caso en el que el fluido no rota, observamos una situación como la que muestran las figuras a continuación:

La figura a la derecha es simplemente un detalle ampliado de parte de la figura a la izquierda. El comportamiento que observamos en este caso es bien conocido por todos y se conoce como difusión (en este caso, turbulenta). Es evidente que el fluido puede moverse en todas las direcciones y que, al cabo de un tiempo, ambos colores se mezclarán y todo adquirirá un color más o menos uniforme.

En el caso en que el fluido rota, sin embargo, el comportamiento es bien diferente:

Es evidente que el fluido se encolumna en la vertical (a lo largo del eje de rotación) y que las columnas se mueven unas alrededor de las otras, pero que el proceso es muy diferente de la difusión en el caso anterior.

Las imágenes a continuación son una secuencia tomada a lo largo de todo el experimento:

Es interesante ver qué sucede cuando se detiene la rotación del tanque. Las imágenes a continuación muestras una secuencia:

Los fluidos en la naturaleza no se comportan exactamente de esta manera, ya que las condiciones no son nunca "exactamente" las del laboratorio. Sin embargo, muestran una tendencia clara a este tipo de comportamiento.

Por ejemplo, la siguiente imagen compara la solución experimental con una imagen de la atmósfera de Júpiter:

Imágenes de http://paoc.mit.edu/labguide/dye.html

Júpiter es un planeta muy grande y tiene una muy alta velocidad de rotación alrededor de su eje, ya que tiene un radio que es aproximadamente 11 veces el radio de la Tierra, pero completa una rotación cada aproximadamente 10 horas terrestres. Como consecuencia, la atmósfera de Júpiter está mucho más influenciada por la rotación que la terrestre. Por eso su aspecto se parece mucho al de nuestro experimento.

Una consecuencia de este efecto será que los flujos naturales, si son lentos, no tenderán a ser "dispersos" sino que tenderán a formar "jets" o corrientes angostas con fuertes variaciones (o "gradientes") de las propiedades. Algunos ejemplos de flujos sobre la Tierra se muestran a continuación.

Este ejemplo muestra una distribución instantánea de vapor de agua en la atmósfera. Las fuertes variaciones (o gradientes) de la concentración son evidentes en los diferentes tonos de gris.

Imágenes de http://paoc.mit.edu/labguide/dye.html

El siguiente ejemplo muestra una imagen satelital de la temperatura superficial del mar en la costa oeste de América del Norte, donde se observa la corriente del Golfo. Los colores naranjas a rojos muestran temperaturas más altas y los azules a violetas, temperaturas más bajas. Eddies o torbellinos se desprenden de la corriente.

Imágenes de http://paoc.mit.edu/labguide/dye.html