En dinámica de fluidos , un remolino es el movimiento de un fluido y la corriente inversa que se crea cuando el fluido se encuentra en un régimen de flujo turbulento . [2] El fluido en movimiento crea un espacio desprovisto de fluido que fluye corriente abajo en el lado de corriente 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 corriente 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 otros tipos 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 no tiene las líneas de corriente cerradas locales de un vórtice.
La propensión de un fluido a girar se utiliza para promover una buena mezcla de combustible y aire en los motores de combustión interna.
En mecánica de fluidos y fenómenos de transporte , un remolino no es una propiedad del fluido, sino un movimiento giratorio violento 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 de flujo laminar a turbulento, caracterizado por la formación de remolinos y vórtices. [5] El flujo turbulento se define como el flujo en el que las fuerzas inerciales 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 el flujo turbulento. Conceptualmente, el número de Reynolds es la relación entre las fuerzas inerciales y las 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 crítico de Reynolds, para una tubería cerrada esto equivale aproximadamente a
En términos del número crítico de Reynolds, la velocidad crítica se representa como
Se trata de 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 es típicamente laminar (alta tensión dirigida en la pared), pero las ramas y curvaturas del sistema causan un flujo turbulento. [2] El flujo turbulento en el árbol arterial puede causar una serie de efectos preocupantes, entre ellos lesiones ateroscleróticas, hiperplasia neointimal posquirúrgica, reestenosis intrastent, falla del injerto de derivación venosa, vasculopatía por trasplante y calcificación de la válvula aórtica.
Las propiedades de sustentación 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 tasas de reacción dentro de los procesos industriales. [10]
Las corrientes oceánicas y atmosféricas transfieren partículas, desechos y organismos por todo el planeta. 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 de la corriente y pueden llevar la contaminación lejos de su origen. [11] [12] Las formaciones de remolinos hacen circular basura y otros contaminantes en áreas concentradas que los investigadores están rastreando para mejorar la limpieza y la prevención de la contaminación. La distribución y el movimiento de plásticos causados por las 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]
El modelado del desarrollo de los remolinos, en relación con los fenómenos de turbulencia y transporte de destino, es vital para comprender los sistemas ambientales. Al comprender el transporte de partículas y sólidos disueltos en 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 el transporte de solutos y partículas en flujos ambientales como en ríos, lagos, océanos y la atmósfera. Las surgencias en estuarios costeros estratificados justifican 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 del cuerpo de agua. [16]
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) [ aclaración necesaria ] , y remolinos transitorios, causados por la 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 baroclínico inestable, serpentea y crea remolinos (de la misma manera que un río serpenteante forma un lago en forma de meandro ). Estos tipos de remolinos de mesoescala se han observado en muchas corrientes oceánicas importantes, incluidas 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 remolinos Haida ). Los remolinos oceánicos también suelen estar formados por masas de agua que son diferentes de las que están 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 a ellos, 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 que están asociados con niveles altos y bajos de clorofila en la superficie, respectivamente. La presencia de clorofila y niveles más altos de clorofila permiten que esta región sustente una mayor biomasa de fitoplancton, así como áreas de mayores flujos verticales de nutrientes y transporte de comunidades biológicas. También se cree que esta área 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 de ápice . [19] [20] [21]
Estos remolinos de mesoescala han demostrado ser beneficiosos para crear una gestión basada en ecosistemas para los modelos de la red alimentaria con el fin de comprender mejor el uso de estos remolinos tanto por parte de los depredadores ápice como de sus presas. Gaube et al. (2018) utilizaron etiquetas de transmisión de posición o temperatura “inteligentes” (SPOT) y etiquetas de transmisión de archivo satelital emergente (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 basada en la velocidad horizontal. Este estudio encontró que los tiburones blancos se sumergieron en ambos ciclones, pero favorecieron el 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 océano 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 prolongadas sin el costo energético adicional de la regulación térmica en los ciclones más fríos. Aunque estos remolinos anticiclónicos resultaron en niveles más bajos de clorofila en comparación con los remolinos ciclónicos, las aguas más cálidas a mayores profundidades pueden permitir una capa mixta más profunda y una mayor concentración de diatomeas que, a su vez, resultan en mayores tasas de productividad primaria. [21] [22] Además, las poblaciones de presas podrían estar más distribuidas dentro de estos remolinos, atrayendo a estos tiburones hembras más grandes a buscar alimento 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 hacer solo usando esta evidencia circunstancial. [21]
La biomasa en la zona mesopelágica aún no se ha estudiado lo suficiente, lo que hace que la biomasa de los peces en esta capa sea potencialmente subestimada. Una medición más precisa de esta biomasa puede beneficiar a la industria pesquera comercial, proporcionándoles zonas de pesca adicionales dentro de esta región. Además, comprender mejor esta región en el océano 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 depredadores superiores que pueden depender de esta fuente de alimento, además de hacer mejores planes de gestión basados en el ecosistema. [21]
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