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:
61 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.
Tal como indica José María, o «comezo» da traxedia do AirFrance AF443 foi a conxelación das sondas Pitot do avión, aínda que, en realidade, a traxedia se produciu por unha mala reacción dos pilotos, non sabendo controlar un avión nunha situación de perda. Outra traxedia que se produciu relacionada coas sondas pitot foi a do Aeroperu 603 na que un dos portos estáticos do avión (dos tres existentes) foi bloqueado por un operario en terra. Esto conduciu a un erro nas lecturas e a unhas consecuencias similares ás indicadas por José María. Hai un vídeo interesante de Mayday Catástrofes Aéreas nas que se conta a evolución do suceso. De aquí a grande importancia que os tubos de Venturi, o principio de Bernouilli e as sondas pitot teñen na aviación comercial moderna.
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.
Como se expuxo noutros comentarios, o Principio de Bernoulli ten numerosas implicacións, por exemplo a traxectoria curva das pelotas que viran. Cando unha pelota se move virando, prodúcense presións de aire desiguais nos lados opostos da pelota. As liñas de fluxo estarán máis preto dun lado que do outro debido á dirección do xiro. A pelota curvarase dependendo de onde se produza a maior presión.
Outra implicación deste principio, ocorre no voo das aves e dos avións. A forma e orientación das ás asegura que o aire pase algo máis rápido sobre a superficie superior da á que por baixo dela. A presión por arriba das ás é menor que a presión baixo a mesma e a diferenza entre estas presións produce unha forza neta cara arriba, denominada lift ou empuxe. Unha pequena diferenza de presión multiplicada pola gran área da á, produce un empuxe considerable. Cando ese empuxe iguala ao peso, o voo horizontal é posible. A medida que aumenta a velocidade, o empuxe é maior. Debido a isto, os avións grandes e pesados teñen que ter ás amplas, e a súa velocidade non é moi alta. Sen embargo, para avións que alcanzan grandes velocidades, as ás adoitan ser delgadas e relativamente pequenas.
Igual que explica Clara, outra aplicación no que está moi presente o Teorema de Bernoulli é na forma das pa dun eólico. Se reparamos nelas pode observase unha forma parecida as ás dos avións. Velocidade máis baixa e menor presión na cara inferior e maior velocidade e menor presión na cara superior. A diferencia de presión entre as dúas caras da pa xenera unha forza aerodinámica a cal se pode descompoñer en dúas fuerzas: Forza de sustentación e Forza de arrastre. Outra forma moi visual de explicar o principio de Bernoulli pode ser soprar unha folla colocada nos labios. Ó soprar estase a aumentar a velocidade na cara superior da folla disminuindo desta forma a presión con respecto á cara inferior, a folla debido a esta diferencia de presión ascenderá.
A creación dun vórtice no líquido fai que a súa transferencia dunha botella a outra sexa máis rápida que no caso irrotacional. A diferencia de presión no aire entre a botella baleira e a botella que contén o líquido fai que o aire se desprace dunha botella a outra a través da formación de burbullas. Estas burbullas bloquean o paso do líquido reducindo o seu caudal, sen embargo ao xerar unha velocidade de rotación no fluído entorno ao eixo da botella aparece unha apertura no centro pola que o aire pode pasar reducindo a perdida de carga. Polo tanto a transferencia do líquido rotacional é unha mellora respecto a transferencia do líquido irrotacional.
As ecuacións de Navier-Stokes son moi complicadas tanto de resolver como de comprender de xeito intuitivo, salvo en certos casos sinxelos, así que a introducción temperá de experimentos deste estilo é sempre unha boa idea. Un detalle interesante a comentar é que os vórtices crean un fluxo que fai que o fluído abandone a botella moito antes que simplemente darlle a volta á botella. A razón é que o vórtice permite a saída do fluído a velocidade constante e a entrada de aire na botella, mentres que ó darlle a volta á botella a presión da atmosfera impide que se desaugue facilmente e fai que o fluído saia a trompicóns.
Un vórtice se produce por el movimiento circular de un fluido con flujo turbulento. Éste sería otro posible experimento a desarrollar en el aula para visualizarlo.
El teorema de Bernoulli es la explicación más comúnmente aceptada de cómo se crea en parte la sustentación para que el avión se mantenga en el aire. Como postula en parte el teorema, esa diferencia de velocidad origina una baja presión encima del ala que la succiona hacia arriba y, por tanto, crea la sustentación.
La sustentación de los helicópteros se basa en el mismo principio, pero ¿que ocurre a gran altitud cuando la presión atmosférica disminuye?, pues que la diferencia de presión entre la parte superior e inferior de las palas del rotor no es suficiente para mantener la sustentación. Esta es la razón de que los helicópteros no puedan volar con seguridad a cierta altura, lo que complica e imposibilita los rescates en las grandes montañas como las del Himalaya. Hoy en día el récord de altura para un rescate en el Everest esta en 7800 metros de altitud, pero superar la barrera de los 7000 es una proeza para los helicópteros «normales».
Experimento muy claro con explicaciones finales para aclarar los conceptos. En la asignatura de mecánica de fluidos de la Licenciatura de Ciencias del Mar, recuerdo que se nos explicó el Principio de Bernoulli mediante el fenómeno de aerodinámica de las alas de un avión. Sin embargo, me parece que el experimento del tornado es muy visual y se adapta perfectamente en el ámbito de educación secundaria.
Outro exemplo no que poden experimentar o efecto do principio de Bernoulli sería o uso dos atomizadores de líquidos, como os botes de colonia, nos que o líquido sae a alta velocidade, separándose en partículas máis pequenas.
Á marxe do experimento, e visto que todo está máis que comentado, decidín informarme sobre que veracidade ten o mito que di que no hemisferio norte a auga xira contra as agullas do reloxo, ao contrario que no hemisferio sur (lévase desilusión jajaja). Este enlace pode resultar interesante, e fala da Forza de Coriolis, que eu descoñecía por completo.
Un gran experimento que explica los tornados que se generan en el planeta. Un tornado es una ventolera violenta girando en espiral que acompaña a una nube en forma de embudo. El embudo que observamos se hace visible gracias a la condensación del agua en su centro y al polvo atmosférico. Cuando los tornados tocan tierra abarcan alrededor de un kilómetro de extensión, lo que causa grandes daños en las zonas afectadas. El mecanismo de los tornados se asocia con movimientos fuertes que se producen en la atmósfera, incluyendo el paso de algunos frentes. Su velocidad puede alcanzar los 480 km/h, aunque se han registrado tornados más veloces. La columna de aire se acelera cada vez más hasta formar el embudo, entonces, las lluvias y el granizo que se forman en la tormenta hacen que el embudo toque tierra formándose el tornado. Los daños que causan provienen de estos vientos, pero también de la presión tan reducida que hay en el centro del embudo —según el principio de Bernoulli, a mayor velocidad menor presión—, lo que causa que las estructuras exploten por la diferencia de presión. Los estudiantes, mediante la realización del experimento que causa un “efecto tornado”, pueden entender el principio de Bernoulli y sus consecuencias en la vida diaria.
Atopei un documento titulado: «Larga vida al vórtice!» está dispoñible neste enlace. Só quería sinalar que igual que neste experimento, no océano tamén se forman vórtices. Estes teñen unha grandísima importancia posto que afectan a distribución de diferentes compoñentes químicos nas augas de mar. Dito doutro xeito, afectan a química do océanoe polo tanto aos organismos que nel habitan. Un vórtice oceánico pode ser unha fronteira de condicións físico-químicas e de diferentes condicións para os seres vivos.
Al hilo de lo comentado anteriormente sobre las supuestos giros del en sentido distinto en función del hemisferio en el que te encuentres, he encontrado un artículo que aunque es antiguo ya (1962) trata de investigar sobre este asunto: TREFETHEN, L. M., BILGER, R. W., FINK, P. T., LUXTON, R. E., TANNER, R. I. (1965). The Bath-Tub Vortex in the Southern Hemisphere. Nature, 207(5001), 1084–1085. doi:10.1038/2071084a0
Yo soy un amante de la F1, competición más popular y prestigiosa de automovilismo internacional con pilotos como Alonso (2 veces campeón mundial) o Carlos Sainz Jr. (actualmente en Ferrari, la escudería más laureada de todos los tiempos). Pues bien, mi sorpresa fue mayúscula cuando descubrí que también en los coches de F1 se utiliza el Principio de Bernoulli. En estos se usa para crear downforce (carga aerodinámica) mediante los famosos alerones tanto en la parte delantera como trasera del automóvil. Si se viera la sección de uno de estos alerones, se observaría que poseen la forma inversa a las alas de un avión por ejemplo. Así, mientras que en los aviones se genera una fuerza hacia arriba (sustentación), en los coches de F1 ocurre justamente lo contrario ayudando estos elementos a que el coche se pegue al suelo (fuerza conocida como downforce) y pase más rápido por las curvas de los circuitos. De hecho, debido a estos elementos (alerones), al conocido como efecto suelo (mediante el uso de diferentes secciones en la parte inferior del coche) y al diseño de los coches de esta competición se genera una fuerza de succión muy superior al peso del coche, por lo que este sería capaz incluso de ir boca abajo sin caer al suelo en ningún momento. Esta es otra de las múltiples aplicaciones del Principio de Bernoulli (tocayo mío) que explica en el vídeo que incluyo un ingeniero que trabajó en la F1 para Ferrari (Toni Cuquerella). En este vídeo utiliza algo tan sencillo como un secador, una pelota y un cartón de un rollo de papel para explicar el principio así como su aplicación a la competición reina del automovilismo.
¡Qué interesante y visual! En este enlace se puede ampliar la información para entender el Principio de Bernoulli, así como ver y conocer las aplicaciones en la vida real del mismo y varios experimentos que se pueden llevar a cabo.
En este vídeo también se pueden ver experimentos súper sencillos que se pueden llevar a cabo con facilidad. Por último, me parece muy interesante consultar este enlace donde habla de Daniel Bernoulli y hace, de manera resumida, un barrido por toda su biografía.
No voy a profundizar en el principio de Bernoulli ya que se comenta en el texto que acompaña al vídeo y en varios comentarios.
Hay dos fenómenos físicos que también están envueltos en este experimento que voy a comentar:
1) La conservación de momento angular: Una fuerza externa genera un giro, que, por acción de la viscosidad se le comunica al fluido, y éste también gira formando remolinos, que perduran en el tiempo hasta que, por fricción del propio fluido, el efecto se ve mitigado.
2) La circulación de un campo de velocidades euleriano de un fluido. Matemáticamente hablando, un campo de velocidades euleriano se dice que es rotacional y genera momento con respecto a algún punto (como es este caso). En forma vectorial, esto se calcula mediante el rotor del campo vectorial, y, en forma integral, se calcula mediante la circulación de un campo vectorial (Integral de una línea cerrada de un campo).
Esta misma integral de línea cerrada es la que explica la ley de Ampere, que tiene como consecuencia matemática que los campos magnéticos son cerrados sobre sí mismos.
¿No es maravilloso que fenómenos físicos tan diferentes están tan íntimamente ligados por las matemáticas?
El principio de Bernoulli también explica por qué vuela un avión, relaciona la velocidad de un fluido con su presión, cuando la velocidad aumenta la presión disminuye.
Ejemplo: si soplas la parte de arriba de un folio de papel este se eleva, al soplar aumenta la velocidad por encima del papel y disminuye la presión.
Este experimento permite explicar de manera clara y visual un concepto que, de otra manera, sería más complicado de hacer entender. El principio de Bernoulli está presente en elementos de nuestra vida cotidiana y, mediante este sencillo ensayo podemos comprender su aplicación y funcionalidad. Uno de los momentos en los que ponemos en práctica este principio es al practicar natación, de manera que al cortar el agua en cada brazada generamos una menor presión que se convierte en una mayor propulsión. Dicho de otra manera, se origina una diferencia de presiones entre la palma y los nudillos, ya que el agua pasa a gran velocidad a través de los nudillos, lo que provoca que se genere una fuerza elevadora. Esto se debe a que cuanto mayor sea la velocidad de un fluido en una superficie, menor presión se generará sobre la misma. Así que, aplicando estos conceptos, cuanto mayor sea la diferencia de presiones entre la superficie inferior y superior de la mano, mayor será la fuerza de sustentación. Recomiendo la visualización de esta página web para ampliar la información sobre esto. Además, como ya se comenta en otros comentarios, el principio de Bernoulli se aplica también en tuberías, chimeneas, carburadores, aviones, etc. Esto destaca la importancia de su conocimiento, haciendo que experimentos como este puedan ser de gran utilidad para comprender conceptos más complicados y hacer las clases mucho más entretenidas.
Un experimento que muestra una soituación ideal donde el agua conserva su propia energía. Así es útil mostrar a los alumnos el fenómeno de la conservación del momento angular de un fluído en condiciones de un sistema cerrado. Muy adecuado!! Gracias
Sin tornado. En cuanto ponemos la botella con agua boca abajo, algo de agua cae a la botella situada en la parte inferior. Después, el flujo de agua se detiene, entra aire (vemos las burbujas), vuelven a caer unas gotas, se detiene de nuevo, aparecen más burbujas, y así sucesivamente. ¿A qué es debido? No olvidemos que sobre el líquido tenemos aire. Como ha salido un poco de agua hay más espacio para el aire, así que, se expande ocupando mayor volumen. Según la ley de Boyle el aumento de volumen viene acompañado de un descenso proporcional de la presión. Como el aire ejerce menor presión sobre el agua, el flujo se detiene. A su vez, el aire de botella situada en la parte inferior (a mayor presión) pasa a la botella superior con el objetivo de igualar presiones. Gracias a la llegada del aire de abajo, sube la presión arriba y el agua vuelve a fluir dando lugar a un nuevo descenso de la presión. Volvemos a empezar. El resultado es que la botella se vacía muy despacio.
Con tornado. Al rotar fuertemente la botella, el agua se desplaza hacia los bordes. Al cabo de varias vueltas aparece un vórtice o remolino de agua girando en espiral. Como habrás observado, en el centro del remolino no hay agua, sino un canal por el que aire puede pasar libremente desde la botella de abajo permitiendo que las presiones inferior y superior se igualen. Ahora el agua y el aire pueden pasar a la vez por los agujeros de los tapones, y como consecuencia, la botella se vacía muy rápidamente.
Tras leer algunos comentarios de otros compañeros, percibo que, de manera general, no relacionamos la física con la realidad más inmediata a nuestro alcance: nosotros. Por ello, dejo este enlace, donde se explica el efecto Bernoulli en el medio de las cuerdas vocales, ya que la aducción de las cuerdas se debe a este fenómeno físico.
Sobre experiencias prácticas del efecto Bernoulli y el efecto Coanda me gustaría aportar el siguiente enlace donde se puede ver el efecto de una corriente de aire sobre una placa, donde llegada cierta separación se pasa de la repulsión a la atracción de dicha placa.
Algúns compañeiros neste «fío» fixeron incidencia na aplicación en aeronáutica da física que hai agochada tralo seu vo. Outro fenómeno que podemos observar habitualmente cando voamos en avión, é o feito de esperar un tempo determinado entre cada unha das saídas dos despegues. A razón, básicamente, tamén ten que ver ca física e é consecuencia da formación de vórtices que, no peor dos casos, poden crear forzas que poden afectar á sustentación dos avións que o sofren. Un vídeo no que se observa gracias á presencia de nubes baixas dito efecto é o seguinte, dun Boeing 747 despegando.
¿Es cierto que se puede hacer girar el agua de un desagüe en sentido contrario al que debería según hemisferio?
Ai ai aiiiiiiiiiiiiiiiiii !!!!! Que intrigada estuve yo con este experimento hasta que entendí la explicación de porqué ocurría, y es que en las redes sociales vi un vídeo que me dejó flasheada. Se trata de un chico bebiendo una cerveza de manera rapidísima empleando el método del tornado. Al principio pensé que se trataba de un montaje, pero no lo era. La viscosidad del agua a 0ªC es 0.001792 Kg/(m*s) y la de la cerveza, a esa misma temperatura, es de 0,0013; por tanto podemos entender que el experimento mostrado en el vídeo también resultaría empleando cerveza en vez de agua, ya que tienen una viscosidad similar. Experimento muy interesante para demostrar en el aula, pero con agua, claro!
Además de todo lo comentado anteriormente, Bernoulli también estableció la teoría de las ruedas hidráulicas y eólicas, de las bombas de agua y de los tornillos hidráulicos; de este modo se distinguía por primera vez entre presión hidrostática e hidrodinámica. Bernoulli formuló la idea del principio de empuje de la hélice y su posible utilización para los barcos.
Estos fenómenos se han detectado en todos los continentes del planeta excepto en la Antártida, sin embargo la mayoría de ellos -hasta el 75%- se producen en América del Norte, El Callejón de los Tornados. Esta área es relativamente plana y esto permite que a finales de la primavera en el hemisferio norte, 3 grandes masas de aire confluyan en su seno: el aire frío polar procedente de Canadá, el aire cálido aire tropical y más húmedo del golfo de México y el aire seco procedente de las Montañas Rocosas. Produciéndose más de 1000 tornados de media cada año
El efecto del tornado sobre el movimiento de agua entre las botellas me recuerda enormemente a un videojuego que trata (con ciertas licencias artísticas) muchos fenómenos físicos de manera lúdica y sencilla de comprender. En dicho juego existe un planeta rodeado completamente de agua y con un montón de tornados que se van creando en su superficie; pues bien, la idea es meterse en un tornado que te permita descender a una velocidad suficiente como para atravesar una corriente muy rápida que cubre el núcleo del planeta para llegar al mismo. En cierto sentido, la analogía con las botellas está ahí: con el tornado, bajas más rápido.
Me parece un experimento muy sencillo e interesante para explicarle el fenómeno atmosférico del tornado a los niños. Para que este fenómeno climático se dé, tienen que encontrarse varios factores: diferentes temperaturas y humedad. El tornado se produce cuando hay un choque entre una masa de aire frío en altura con aire caliente en la superficie. Este choque crea una inestabilidad atmosférica provocando grandes tormentas y dando lugar a tornados.