En dinámica de fluidos , un remolino es el remolino de un fluido y la corriente inversa creada cuando el fluido está en un régimen de flujo turbulento . [2] El fluido en movimiento crea un espacio desprovisto de fluido que fluye aguas abajo en el lado aguas abajo del objeto. El fluido detrás del obstáculo fluye hacia el vacío creando un remolino de fluido en cada borde del obstáculo, seguido de un breve flujo inverso de fluido detrás del obstáculo que fluye hacia arriba, hacia la parte posterior del obstáculo. Este fenómeno se observa naturalmente detrás de grandes rocas emergentes en ríos de corriente rápida.
Un remolino es un movimiento de fluido que se desvía del flujo general del fluido. Un ejemplo de remolino es un vórtice que produce dicha desviación. Sin embargo, existen otro tipo de remolinos que no son simples vórtices. Por ejemplo, una onda de Rossby es un remolino [3] que es una ondulación que es una desviación del flujo medio, pero que no tiene las líneas de corriente cerradas locales de un vórtice.
La propensión de un fluido a arremolinarse se utiliza para promover una buena mezcla de combustible y aire en los motores de combustión interna.
En la mecánica de fluidos y los fenómenos de transporte , un remolino no es una propiedad del fluido, sino un violento movimiento giratorio causado por la posición y dirección del flujo turbulento. [4]
En 1883, el científico Osborne Reynolds realizó un experimento de dinámica de fluidos con agua y tinte, donde ajustó las velocidades de los fluidos y observó la transición del flujo laminar al turbulento, caracterizado por la formación de remolinos y vórtices. [5] El flujo turbulento se define como el flujo en el que las fuerzas de inercia del sistema son dominantes sobre las fuerzas viscosas. Este fenómeno se describe mediante el número de Reynolds , un número sin unidades que se utiliza para determinar cuándo se producirá un flujo turbulento. Conceptualmente, el número de Reynolds es la relación entre fuerzas de inercia y fuerzas viscosas. [6]
La forma general del número de Reynolds que fluye a través de un tubo de radio r (o diámetro d ):
donde v es la velocidad del fluido, ρ es su densidad , r es el radio del tubo y μ es la viscosidad dinámica del fluido. Un flujo turbulento en un fluido se define por el número de Reynolds crítico; para una tubería cerrada esto equivale a aproximadamente
En términos del número de Reynolds crítico, la velocidad crítica se representa como
Estos son modelos de turbulencia en los que las tensiones de Reynolds, obtenidas a partir de un promedio de Reynolds de las ecuaciones de Navier-Stokes , se modelan mediante una relación constitutiva lineal con el campo de deformación del flujo medio, como:
dónde
La hemodinámica es el estudio del flujo sanguíneo en el sistema circulatorio. El flujo sanguíneo en las secciones rectas del árbol arterial suele ser laminar (tensión elevada y dirigida a la pared), pero las ramas y curvaturas del sistema provocan un flujo turbulento. [2] El flujo turbulento en el árbol arterial puede causar una serie de efectos preocupantes, que incluyen lesiones ateroscleróticas, hiperplasia neointimal posquirúrgica, reestenosis dentro del stent, falla del injerto de derivación venosa, vasculopatía por trasplante y calcificación de la válvula aórtica.
Las propiedades de elevación y arrastre de las pelotas de golf se personalizan mediante la manipulación de hoyuelos a lo largo de la superficie de la pelota, lo que permite que la pelota de golf viaje más lejos y más rápido en el aire. [8] [9] Los datos de los fenómenos de flujo turbulento se han utilizado para modelar diferentes transiciones en regímenes de flujo de fluidos, que se utilizan para mezclar completamente los fluidos y aumentar las velocidades de reacción dentro de los procesos industriales. [10]
Las corrientes oceánicas y atmosféricas transfieren partículas, desechos y organismos por todo el mundo. Si bien el transporte de organismos, como el fitoplancton , es esencial para la preservación de los ecosistemas, el petróleo y otros contaminantes también se mezclan en el flujo actual y pueden llevar la contaminación lejos de su origen. [11] [12] Las formaciones de remolinos hacen circular basura y otros contaminantes hacia áreas concentradas que los investigadores están rastreando para mejorar la limpieza y la prevención de la contaminación. La distribución y el movimiento de los plásticos causados por formaciones de remolinos en cuerpos de agua naturales se pueden predecir utilizando modelos de transporte lagrangianos. [13] Los remolinos oceánicos de mesoescala desempeñan un papel crucial en la transferencia de calor hacia los polos, así como en el mantenimiento de gradientes de calor a diferentes profundidades. [14]
Modelar el desarrollo de remolinos, en su relación con la turbulencia y los fenómenos de transporte del destino, es vital para comprender los sistemas ambientales. Al comprender el transporte de partículas y sólidos disueltos en los flujos ambientales, los científicos e ingenieros podrán formular de manera eficiente estrategias de remediación para eventos de contaminación. Las formaciones de remolinos desempeñan un papel vital en el destino y transporte de solutos y partículas en flujos ambientales como ríos, lagos, océanos y la atmósfera. El afloramiento en estuarios costeros estratificados justifica la formación de remolinos dinámicos que distribuyen nutrientes desde debajo de la capa límite para formar columnas. [15] Las aguas poco profundas, como las que se encuentran a lo largo de la costa, desempeñan un papel complejo en el transporte de nutrientes y contaminantes debido a la proximidad del límite superior impulsado por el viento y el límite inferior cerca del fondo de la masa de agua. [dieciséis]
Los remolinos son comunes en el océano y su diámetro varía desde centímetros hasta cientos de kilómetros. Los remolinos de menor escala pueden durar unos segundos, mientras que los de mayor tamaño pueden persistir durante meses o años.
Los remolinos que tienen entre 10 y 500 km (6 y 300 millas) de diámetro y persisten durante períodos de días a meses se conocen en oceanografía como remolinos de mesoescala. [17]
Los remolinos de mesoescala se pueden dividir en dos categorías: remolinos estáticos, causados por el flujo alrededor de un obstáculo (ver animación) [ se necesita aclaración ] , y remolinos transitorios, causados por inestabilidad baroclínica.
Cuando el océano contiene un gradiente de altura de la superficie del mar, esto crea un chorro o corriente, como la Corriente Circumpolar Antártica . Esta corriente, como parte de un sistema baroclínicamente inestable, serpentea y crea remolinos (de forma muy parecida a como un río serpenteante forma un meandro ). Este tipo de remolinos de mesoescala se han observado en muchas corrientes oceánicas importantes, incluida la Corriente del Golfo , la Corriente de Agulhas , la Corriente de Kuroshio y la Corriente Circumpolar Antártica, entre otras.
Los remolinos oceánicos de mesoescala se caracterizan por corrientes que fluyen en un movimiento aproximadamente circular alrededor del centro del remolino. El sentido de rotación de estas corrientes puede ser ciclónico o anticiclónico (como los Haida Eddies ). Los remolinos oceánicos también suelen estar formados por masas de agua diferentes a las que se encuentran fuera del remolino. Es decir, el agua dentro de un remolino suele tener características de temperatura y salinidad diferentes a las del agua fuera del remolino. Existe un vínculo directo entre las propiedades de la masa de agua de un remolino y su rotación. Los remolinos cálidos giran de forma anticiclónica, mientras que los remolinos fríos giran de forma ciclónica.
Debido a que los remolinos pueden tener una circulación vigorosa asociada, son motivo de preocupación para las operaciones navales y comerciales en el mar. Además, debido a que los remolinos transportan agua anormalmente cálida o fría a medida que se mueven, tienen una influencia importante en el transporte de calor en ciertas partes del océano. [18]
Se sabe que el Atlántico norte subtropical tiene remolinos ciclónicos y anticiclónicos asociados con clorofila superficial alta y clorofila superficial baja, respectivamente. La presencia de clorofila y niveles más altos de clorofila permiten que esta región soporte una mayor biomasa de fitoplancton, así como áreas de mayores flujos verticales de nutrientes y transporte de comunidades biológicas. También se cree que esta zona del Atlántico es un desierto oceánico, lo que crea una paradoja interesante debido a que alberga una variedad de grandes poblaciones de peces pelágicos y depredadores superiores [19] [20] [21]
Estos remolinos de mesoescala han demostrado ser beneficiosos para crear una gestión basada en ecosistemas para modelos de redes alimentarias para comprender mejor la utilización de estos remolinos tanto por los depredadores superiores como por sus presas. Gaube et al. (2018), utilizaron etiquetas transmisoras de temperatura o posición “inteligentes” (SPOT) y etiquetas transmisoras de archivo por satélite emergentes (PSAT) para rastrear el movimiento y el comportamiento de buceo de dos tiburones blancos hembras (Carcharodon carcharias) dentro de los remolinos. Los remolinos se definieron utilizando la altura de la superficie del mar (SSH) y los contornos utilizando la escala de radio horizontal basada en la velocidad. Este estudio encontró que los tiburones blancos se sumergieron en ambos ciclones, pero favorecieron al anticiclón, que tuvo tres veces más inmersiones que los remolinos ciclónicos. Además, en los remolinos de la Corriente del Golfo, los remolinos anticiclónicos fueron un 57% más comunes y tuvieron más inmersiones y inmersiones más profundas que los remolinos de mar abierto y los remolinos ciclónicos de la Corriente del Golfo. [21]
Dentro de estos remolinos anticiclónicos, la isoterma se desplazó 50 metros hacia abajo, lo que permitió que el agua más cálida penetrara más profundamente en la columna de agua. Este desplazamiento de agua más cálida puede permitir que los tiburones blancos realicen inmersiones más largas sin el costo energético adicional de la regulación térmica en los ciclones más fríos. Aunque estos remolinos anticiclónicos dieron como resultado niveles más bajos de clorofila en comparación con los remolinos ciclónicos, las aguas más cálidas a mayor profundidad pueden permitir una capa mixta más profunda y una mayor concentración de diatomeas, lo que a su vez da como resultado tasas más altas de productividad primaria. [21] [22] Además, las poblaciones de presas podrían distribuirse más dentro de estos remolinos, atrayendo a estas tiburones hembras más grandes para alimentarse en esta zona mesopelágica. Este patrón de buceo puede seguir una migración vertical diaria, pero sin más evidencia sobre la biomasa de sus presas dentro de esta zona, estas conclusiones no se pueden sacar utilizando solo esta evidencia circunstancial. [21]
La biomasa en la zona mesopelágica aún no se ha estudiado lo suficiente, lo que hace que potencialmente se subestime la biomasa de peces dentro de esta capa. Una medición más precisa de esta biomasa puede beneficiar a la industria pesquera comercial proporcionándoles caladeros adicionales dentro de esta región. Además, comprender mejor esta región en mar abierto y cómo la extracción de peces en esta región puede afectar esta red alimentaria pelágica es crucial para las poblaciones de peces y los superdepredadores que pueden depender de esta fuente de alimento, además de mejorar la gestión basada en el ecosistema. planes. [21]
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