Tornado
25 abr, 2013
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PDFEn una botella
PRESENTACIÓN: Uniendo dos botellas de plástico llenas parcialmente de líquido se pueden generar vórtices. El líquido cae por efecto de la gravedad y una rotación inicial en espiral. El mismo efecto puede conseguirse con una única botella a la que se le practicado un orificio en su tapón.
- Vortex Apparatus and Demonstrations, Said Shakerin, Phys. Teach. 48, 316 (2010)
- A tornado in a soda bottle and angular momentum in the Washbasin, H. Richard Crane, Phys. Teach. 25, 516 (1987)
INTRODUCCIÓN: Este efecto puede explicarse utilizando esencialmente el Principio de Bernoulli suponiendo que el líquido a utilizar es incompresible y no viscoso.
OBJETIVO: Observar la formación de un tornado.
MATERIALES: una botella de plástico, agua, tapón agujereado.
MONTAJE: Para este experimento llenamos una botella de agua 2/3 de su capacidad. Perforamos un agujero de 1cm de diámetro en el tapón. Invertimos la posición del recipiente e hicimos que el agua girase en sentido contrario a las agujas del reloj formándose así un tornado en el interior de la botella.
EXPLICACIÓN: Para este experimento utilizamos el principio de Bernoulli. Sea un fluido incompresible, es decir, que no puede cambiar su volumen intentando comprimirlo (su densidad es constante), y que también sea no viscoso, esto es, que no presente rozamiento entre capas de fluido. Supongamos que sobre él actúa sólo la fuerza de la gravedad y que sea ésta cte. Entonces, en cada punto del fluido se verifica el principio de Bernoulli:
v2/2 + g z + p/ρ = cte
v es la velocidad del fluido en un punto, ρ es la densidad, z es la altura, g es la aceleración de la gravedad y p es la presión. La constante es la misma para todo punto del fluido. Vamos a considerar que el agua es un fluido incompresible y no viscoso. Removemos rápido, por ejemplo. Al dejar de remover, consideramos que ya no hay fuerzas externas que afecten al fluido. Si te fijas, se crea un vórtice con el punto central más bajo que el resto de puntos, y en el que la velocidad lineal, del fluido es mayor en el centro del vórtice y menor a medida que te alejas de él. Pongámonos en una zona de altura constante z0 y usemos el principio. Nos dice que un medio de la velocidad al cuadrado más la presión partido la densidad es una constante:
v2/2 + p/ρ = cte-g z0 = cte1
En el centro del vórtice la velocidad es mayor, por lo que la presión ha de ser menor. A medida que nos vamos alejando baja la velocidad, por lo que debe aumentar la presión. Por tanto, para que se dé un torbellino como el del recipiente, la presión debe crecer a medida que nos alejamos del vértice. El principio de Bernoulli también explica la curvatura que toma la parte del agua que está en contacto con el aire. El aire tiene una presión prácticamente constante al nivel de la superficie que llamaremos patm y que es aproximadamente igual a 1 atmósfera. Luego, la parte superior del agua también se halla a esta presión. Usando el principio de Bernoulli para la superficie del agua:
v2/2 + g z + = cte- patm/ρ = cte2
En el centro del vórtice, la velocidad es mayor que en los extremos, por tanto, la altura (z) en el centro tiene que ser menor que en los extremos, que es justo lo que se observa en el experimento.
CONCEPTOS: presión atmosférica, principio de Bernoulli.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- D.C. Giancoli, Física para Ciencias e Ingeniería, Pearson, 2009.
- D. Halliday, R. Resnick y J. Walker, Fundamentos de Física. CECSA, 2001.
ALUMNADO 2011-2012: Marta González, Sandra Costoya
ENLACE pdf ALUMNADO:
32 responses to "Tornado"
Un buen ejemplo de este fenómeno, sería a la hora de evacuar gases en las chimeneas. A mayor altura, se produce mayor velocidad y constancia del viento, lo que provoca que la presión en la boca de la chimenea sea más baja y que la diferencia de presión con la base sea más grande y en consecuencia por la ecuación de Bernoulli, se evacuen mejor los gases, ya que salen a mayor velocidad.
Otro ejemplo del principio de Bernoulli también sería la explicación del funcionamiento de un carburador en un coche:
La presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento y al disminuir esta presión, la gasolina fluye, se vaporiza y se mezcla con la corriente de aire haciendo así función a parte del motor del automóvil.
Otro ejemplo es en el deporte, cuando un nadador corta el agua con las manos impulsándose, este efecto es el mismo que hace el remo de una barca o una piragua
El principio de Bernoulli también explica parte de las causas por que se produce la fuerza que mantiene a los aviones en vuelo (Sustentación). No es ésta ni mucho menos la principal causa, los aviones acrobáticos pueden moverse boca a abajo …
Por este principio, un fluido a mayor velocidad ejerce menor presión sobre una superficie. Aprovechando este fenómeno las alas de los aviones se construyen de forma que al aire que fluye por al superficie inferior va a una velocidad menor que el aire que fluye por la superficie superior, de esta forma, según el principio de Bernoulli, la superficie inferior del ala estará sometida a una presión mayor, por lo tanto se produce una succión del ala hacia arriba.
En el siguiente enlace se muestra un vídeo explicando el fenómeno.
Por el mismo motivo puede explicarse porqué puede hacerse esto.
Thanks a lot …
O principio de Bernoulli ten tamén a súa repercusión en deportes como por exemplo o fútbol. O seguinte vídeo explícanos o efecto Magnus, empregado con habilidade por moitos xogadores para conseguir un disparo con traxectoria curva. Na explicación deste efecto participan varios fenómenos entre eles o principio de Bernoulli. No efecto Magnus, a rotación dunha bola provoca que a velocidade do fluxo por un lado dela sexa maior que polo outro, e con elo a aparición dunha diferenza de presións que fai que a bola desvíe a súa traxectoria cara o lado de menor presión.
+info
El efecto Bernoulli puede salvar vidas. Un ingeniero francés Henri Pitot inventó las sondas que llevan su nombre en 1732, que años después haría placentero el vuelo en los aviones. Nunca se imaginó que su invento se revelaría tan vital 280 años después.
El vuelo 447 de Air France fue un vuelo comercial programado entre las ciudades de Río de Janeiro y Paris el 1 de enero de 2009. El avión Airbus A-330 desapareció a las pocas horas del despegue. Se encontraron los restos a los 5 días de su siniestro en el Océano Atlántico. Los datos de las famosas «cajas negras» nos explicaron lo sucedido años después. Los pilotos lucharon por mantener la aeronave en el aire, tras el fallo de varios instrumentos del avión. Con los pilotos desconociendo su verdadera altitud y velocidad, el ala del avión impacta en el mar y éste se estrella segundos después. La causa del fallo fue la congelación por agua super enfriada (-40ºC) de los tubos pitot. Estas sondas son fundamentales en la aviación actual. Los tubos de pitot utilizan el efecto Bernoulli para suministrar la información correcta sobre la velocidad del avión. Varios aviones han terminado en siniestro debido a problemas con los tubos pitot. Vídeo.
A formación de estes vórtices existe tamén no océano e forma os fenómenos que coñécense coma Eddies, moi comúns no océano. O seu tamaño varía entre un diámetro de centímetros a centos de quilómetros. Os remuíños de menor escala poden durar por unha cuestión de segundos, mentres que as características máis grandes continuar por meses ou anos maio, e son os coñecidos como vórtices de mesoescala en oceanografía.
Os eddies de mesoescala pode ser divididos en dúas categorías: estáticos, causadas polo fluxo en torno a un obstáculo, e transitorios, causada pola inestabilidade baroclinica (relacionada cas diferencias de altura na superficie do mar). Estes eddies de mesoescala foron observados en moitas das principais correntes oceánicas, incluíndo a Corrente do Golfo, a Corrente das Agullas, o Kuroshio e a corrente circumpolar Antártica, entre outros.
Ademais, as características das masas de auga dentro dos eddies son, xeralmente, diferentes daquelas fora. É dicir, a auga dentro dun remuíño normalmente ten distintas características de temperatura e salinidade da auga fóra do remuíño. Hai unha conexión directa entre as propiedades de masa de auga e a súa rotación: os eddies quentes xirar anti-ciclonicamente mentres cos fríos xirar ciclonicamente.
Los tornados son uno de los fenómenos atmosféricos más destructivos que hay ya que pueden concentrar, en un punto muy pequeño, vientos de hasta más de 500km/h (F6, registrado solamente una vez durante una oleada de tornados en Oklahoma en 1999). En ocasiones éstos pueden combinarse con otros elementos como el agua (formando las mangas de agua o trombas marinas) o el fuego (formando los tornados o remolinos de fuego, en este artículo se pueden leer algunas características de éstos). Es precisamente a este segundo al que se refiere el siguiente experimento. En el enlace encontraremos los pasos (y un vídeo demostrativo) de cómo podemos formar un tornado de fuego a pequeña escala en nuestras casas, un experimento muy llamativo y sencillo de realizar que dejará a los alumnos fascinados. Tan sólo deberemos tener un poco de cuidado al ejecutarlo para evitar incidentes.
Un tornado se define como “una columna de aire que gira violentamente, estando en contacto con el suelo, ya sea colgando de o debajo de una nube cumuliforme, y frecuentemente (pero no siempre) visible como una nube embudo”.
Un tornado no necesariamente es visible; sin embargo, la baja presión atmosférica que hay en su interior y que provoca la alta velocidad del viento (de acuerdo con el Principio de Bernoulli, así como su rápida rotación, causan que el vapor de agua en el aire se vuelva visible al condensarse en forma de gotas de agua, tomando la forma de una nube embudo o un embudo de condensación. Cuando una nube embudo se extiende por lo menos a la mitad de la distancia entre el suelo y la base de la nube)que suele ser de menos de dos kilómetros, se le considera un tornado.
El teorema de Bernoulli nos dice que la energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes que son el cinético, potencial gravitacional y la energía de flujo, y que dicha energía total permanece constante en un sistema de fluidos a lo largo de la trayectoria de flujo.
Es un principio muy interesante pues tiene diversas aplicaciones en la vida cotidiana como en el vuelo de los aviones, el funcionamiento de las chimeneas y los carburadores de los coches, las tuberías, etc.
Además del experimento que se muestra, propongo otro alternativo en el cual se trabaja con una pajita y una bola de ping-pong. Para desarrollarlo, es necesario que los alumnos se pongan en posición horizontal, por ejemplo, sobre una mesa y que coloquen la pajita en dirección vertical sobre su boca. Debe de situar la pelota de ping-pong alineada con el orificio superior de la pajita y empezar a soplar, hasta que la bola quede suspendida en el aire.
El experimento de ambos vídeos es muy sencillo pero corto, en el siguiente enlace realizan con un disco duro antiguo una base imantada con la que mantener los tornados durante el tiempo que se quiera.
Por otro lado, el efecto Venturi, puede observarse en multitud de ejemplos, uno muy curioso lo encontramos en el Conjunto Etnográfico de Teixois en Taramundi. Lo podemos ver en la herrería del museo donde emplea este efecto para aplicar aire el fuego y mantenerlo vivo.
El principio de Bernoulli tiene muchas aplicaciones en la vida cotidiana. Por ejemplo, es el principio en el que se basa el funcionamiento de las chimeneas, Carburador de automóvil, tuberías, o en la aviación. Además, este principio también tiene aplicaciones en el mundo del deporte. La natación se sustenta en este principio para lograr una mayor propulsión.
En este enlace podemos ver diferentes experimentos basados en este mismo principio…
En esta experiencia se crea un vórtice dentro de una botella. Esta experiencia se puede utilizar para analizar cómo intervienen la presión, la gravedad, o la fuerza centrípeta, mediante la aplicación del principio de Bernoulli, en la formación de un tornado en la atmósfera. La formación de vórtices también se puede observar en los remolinos que se forman en los ríos o en desagües. Se trata de un experimento muy sencillo que permite simular un fenómeno que es muy complejo y difícil de modelar. En este artículo se explica cómo se desarrolló una simulación de un tornado real mediante modelos informáticos, la cual requiere el procesamiento de millones de puntos mediante la utilización de un superordenador.
El principio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido en reposo moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento), circulando por un conducto cerrado, posee una energía que permanece constante a lo largo de su recorrido. Aplicaciones de este principio serían la aviación, el carburador de un automóvil, la natación….
Este experimento paréceme moi chamativo para os nenos de 1º ou 2º da ESO, sobre todo si engadimos bolas de cores ao “tornado” ou colorante á auga, de maneira que acentúen mais o movemento e así facer o experimento mais vistoso.
Outra cousa interesante deste experimento é que os rapaces pódeno facer pola súa conta, xa que no implica riscos nin é perigoso.
Un ejercicio muy sencillo que tiene la ventaja de que permite tratar el principio de Bernoulli en bachillerato, pero también permite mostrar al alumnado de cursos inferiores uno de los fenómenos meteorológicos más impresionantes. En este caso puede realizarse junto con otros experimentos para crear fenómenos meteorológicos, como los que aparecen en el siguiente enlace.
Se trata de un experimento muy llamativo, adecuado para realizar tanto con alumnos de bachillerato con el fin de estudiar el Principio de Bernouilli, como un alumnos de menor edad con el fin de explicar la formación de los tornados y su relación con la presión atmosférica. Una variante menos conocida pero incluso más espectacular que los tornados, son lo que se conoce como tornados o remolinos de fuego; un raro fenómeno en el cual el fuego, bajo ciertas condiciones (dependientes de la temperatura del aire y las corrientes), adquiere una vorticidad vertical y forma un remolino o una columna de aire de orientación vertical similar a un tornado. La mayoría de los grandes tornados de fuego surgen a partir de incendios forestales en los cuales están presentes corrientes de aire cálido ascendentes y convergentes. Usualmente presentan de 10 a 50 metros de alto, unos pocos metros de ancho y duran solo unos minutos. Sin embargo, algunos pueden tener más de un kilómetro de alto y contener vientos superiores a los 160 km/h persistiendo así por más de 20 minutos
Me parece un experimento interesante, fácil, barato y de posible aplicación en el aula.
Este experimento se podría realizar utilizando botellas de distintos diametros de boca para ver si cambia el proceso o si llega algún tamaño en que deja de producirse. Además se podría cambiar el líquido utilizando distintas viscosidades, para observar que ocurre con el rozamiento.
No se me había ocurrido un experimento así, la verdad es que me parece muy interesante. Sobretodo cuando se añaden colores que hace todo más bonito y visual, sobretodo cuando hacemos este tipo de experimento con los más pequeños. Sirve tanto para estudiar el Principio de Bernouilli como para entender como se forman los tornados y los efectos que tienen.
En caso de trabajar con un líquido que fuera viscoso, supongo que en lugar de utilizar la ecuación de Bernoulli habría que emplear la ecuación general que proviene de aplicar la conservación de la masa, que incluye la fricción y el trabajo externo (aunque en este caso sea 0). ¿Habría alguna diferencia más?
Es un ejercicio muy sencillo y fácil de realizar en el aula y que permite comprender hasta qué punto los principios físicos, en este caso el principio de Bernoulli, están involucrados en fenómenos o procesos con los que estamos familiarizados. Sin embargo, para aquellos que estén interesados en ejercicios que estén más enfocados a los procesos que dan lugar a la génesis de tornados les recomiendo el siguiente experimento que he encontrado en internet «Construcción y Estudio Teórico de un Simulador de un Tornado”.
Siempre me llamó la atención la estabilidad de los tornados, pero todavía más llamativo me resultó conocer los cañones de vórtices, que son como los anillos de humo que hacen algunos fumadores. Son como tornados cerrados sobre sí mismos, denominados así toroides. En esta página podéis aprender más sobre los cañones de vórtices.
Interesante e visual vídeo para explicar o principio de Bernoulli. Para afondar máis nel cun nivel adaptado a alumnado de secundaria pódese visualizar este outro vídeo.
El principio de Bernoulli también puede explicar cómo puede un velero navegar en contra del viento considerando que la vela actúa como el ala de un avión. Cuando el aire fluye por un lado de la vela genera presión sobre ella, que atada a las vergas, se infla, mientras que el aire fluyendo por el otro lado se mueve más rápido (recorre una longitud mayor), por lo que genera una presión menor sobre la vela, con lo que ésta recibe una fuerza que es perpendicular a la dirección del viento. Gracias a la quilla y al rozamiento del barco con el agua, se componen estas fuerzas y el resultado combinado puede empujar al barco en dirección perpendicular al viento.
Esto mejor explicado y aún más info sobre la física de la navegación a vela (¡que es mucha!) en este artículo muy recomendable.
Para la física aplicada dentro del sistema circulatorio, es muy importante el Teorema de Bernoulli, que explica como un la sangre fluye a pesar del roce con las paredes de las venas, las arterias y los capilares.
El Principiode Bernoulli siempre me ha causado sorpresa, y conforme veo más aplicaciones más me sorprendo.
Este experimento me recuerda un sistema de decantación que aprendí trabajando en un laboratorio hace años. Cuando tienes un vaso de precipitados con agua y sólidos en suspensión y generas un vórtice en él (sin darle ningún punto de salida al líquido) los sólidos poco a poco van a ir juntándose en el fondo del vaso, centrados.
Visto este fenómeno con perspectiva, veo que los sólidos son empujados hasta el punto de menor presión, a partir del cual el agua no es capaz de empujarlos porque le velocidad vuelve a disminuir,
En este trabajo se pueden ver muchas formas de decantación, entre las que se incluye la mencionada en este comentario.
El vídeo muestra una forma muy visual para demostrar el principio de Bernoulli, que explica la disminución de la presión que ocurre cuando aumenta la velocidad a la que se mueve un fluido (no compresible y no viscoso). En nuestra vida diaria existen cantidad de fenómenos que pueden explicarse por este principio. Por ejemplo, si alguna vez os habéis preguntado por qué las cortinas de las duchas insisten en pegarse a vuestro cuerpo en lugar de quedarse donde os gustaría, Bernoulli tiene la respuesta. Como se explica aquí, la corriente de agua que sale de la ducha genera una mayor velocidad en el movimiento del aire dentro de la ducha que hace que la presión en el interior disminuya. Esto causa que la cortina “escape” del aire más lento (y con mayor presión) en el exterior de la ducha y sea empujada hacia adentro, y como consecuencia hacia tu cuerpo, creando una sensación nada placentera…
Muchos han sido los científicos que realizaron descubrimientos y avances antes de la familia Bernoulli que le da nombre a este principio. La historia comienza en 1598 cuando Benedetto Castelli refutó la forma de medir el flujo en los ríos por parte de Giovanni Fontana, afirmando tomar en cuenta la sección y la velocidad. En 1625, Castelli estableció la ecuación que lleva su nombre (Q = AV). Galileo Galilei (1638), propuso que los cuerpos experimentan una aceleración uniforme al caer en el vacío. En 1641, Evangelista Torricelli demostró que la forma de un chorro al salir de un orificio es una hipérbola de 4º orden. Isaac Newton, en 1686, argumentó que el agua tiene una caída efectiva en el interior de un tanque y que el orificio tiene encima una carga real del doble de la altura del tanque. Fue finalmente Daniel Bernoulli (1738), autor del «principio de Bernoulli» (la teoría dinámica de los fluidos), quien aclaró el enigma de la doble columna y finalmente su padre Johann Bernoulli, basado en los trabajos de su hijo, presentó una mejor explicación del escurrimiento en un orificio y logró una clara deducción de la ecuación de una línea de corriente.
Mediante la lectura de los comentarios realizados por los compañeros y compañeras en el blog y la búsqueda de información en la red, me ha sorprendido la cantidad de efectos que pueden ser explicados mediante el principio de Bernoulli. Uno de ellos llamó mi atención al tratarse de un experimento científico un tanto curioso. Los autores aplicaron la ecuación de Bernoulli para obtener un modelo aproximado del tiempo de vaciado completo de la vejiga de un animal: Yang, P. J., Pham, J. C., Choo, J., & Hu, D. L. (2013). Law of Urination: all mammals empty their bladders over the same duration. arXiv preprint arXiv:1310.3737. Mediante la observación de distintos animales en el zoológico de Atlanta y combinando datos sobre la masa, la presión de la vejiga y el tamaño de la uretra, pudieron crear un modelo matemático de sistemas urinarios para mostrar por qué los mamíferos requieren el mismo tiempo para vaciar su vejiga, a pesar de la diferencia en el tamaño de la misma.
Experimento muy sencillo y visual para explicar este fenómeno meteorológico, además del principio de Bernoulli. Como se ha expuesto en comentarios anteriores, sorprende la cantidad de fenómenos cotidianos que se pueden explicar por este principio. Por mí parte, os acerco uno que me ha parecido muy interesante: la producción del sonido de la voz por parte de las cuerdas vocales. La presión positiva del aire expulsado por los pulmones hace que las cuerdas vocales se abran, pero como el aire pasa a gran velocidad, el efecto Bernoulli hace que vuelvan a unirse, provocando el sonido.