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Vórtices hexagonales replicados en una cubeta

Posted by keithcoors_00 en 8 mayo, 2008

Desde Physicsword.com

Autor: Hamish Johnston, editor de physicsworld.com
Traducción de KC.


Si te encuentras en un vehículo espacial, pasando por la Tierra encima del Polo Sur, es probable que veas un “vórtice polar”, una gran agitación de masas de nubes y vientos en la atmósfera superior justo por encima del polo, impulsada por la rotación de la Tierra.

El centro del vórtice sería generalmente circular, pero de vez en cuando se asume un triangular, o incluso una forma cuadrada. Ahora los investigadores en Canadá afirman haber replicado este comportamiento por primera vez en el laboratorio – con ayuda de nada más que agua en un cubo cilíndrico con una base rotativa.


Aunque pueda parecer extraño que un vórtice
circular de repente desarrolle esquinas, este curioso comportamiento fue anotado por primera vez en más hace un siglo por el físico británico JJ Thomson W Thomson (Lord Kelvin). Trabajando en el ahora abandonado campo de la teoría de “átomos de vórtice“, que suponía que cada átomo es un vórtice en el éter, Thomson Kelvin calculó que cuando un solo vórtice alcanza una velocidad angular crítica, se divide en dos vórtices que orbitan unos alrededor del otro, haciendo una molécula diatómica.

A medida que la velocidad angular aumentaba aún más, Thomson Lord Kelvin predijo que el sistema se separaría en tres, cuatro, cinco y seis vórtices, creando moléculas más grandes. Esta idea de múltiples vórtices fue en gran parte olvidada hasta 1979, cuando Richard Packard y sus colegas en la Universidad de California, en Berkeley, observó hasta 11 vórtices en un cilindro rotativo de helio superfluido (Phys Rev Lett 43 214).

Algunos físicos creen que la curiosa forma poligonal del vórtice polar podría formarse cuando múltiples “vórtices satélite” coexisten con un vórtice central. Por ejemplo, tres vórtices satélite y un vórtice central se combinan para formar una forma triangular. Ahora, Georgios Vatistas y sus colegas en la Universidad de Concordia pueden haber observado este efecto por primera vez en el laboratorio (Phys Rev Lett 100 174503).

Dale un giro.

El equipo de Vatistas estudió vórtices de agua en una cubeta cilíndrica estacionaria, con un disco giratorio en su parte inferior. Mientras el disco gira, provoca la formación de un remolino en la cubeta. El efecto centrífugo causa que el agua suba por la pared de la cubeta, dejando una depresión en el centro. Si el disco se hace girar con la suficiente rapidez, la depresión alcanza justo la parte inferior del cubo y el centro del disco se queda sin agua.

Los investigadores usaron una cámara digital para tomar una foto de la región seca por cada revolución, utilizando un estroboscopio sincronizado. Inicialmente, la región seca del disco es circular, pero mientras la velocidad angular del disco aumenta, la seca región se divide en dos lóbulos, seguido de un triángulo, cuadrado, pentágono y hexágono. A pesar de nuevos incrementos de velocidad angular, el equipo no observó evidencias de polígonos con siete o más lados.

Vatistas dijo a physicsworld.com que, aunque se requiere más trabajo experimental y teórico para entender por qué los polígonos se están formando, él piensa que los vórtices son probablemente formados por la coexistencia de un vórtice central con configuraciones específicas de vórtices satélite.

“Todavía estamos observando y cartografiando el fenómeno en detalle”, dijo Vatistas. Luego, armados con más datos experimentales detallados, el equipo planea utilizar la teoría matemática de formación de vórtices, así como simulaciones numéricas para obtener una comprensión más profunda de por qué se forman los polígonos.

Saturno y más allá

Vatistas considera que el trabajo podría conducir a una mejor comprensión de la dinámica de la atmósfera de la Tierra. Estructuras poligonales también se han visto en los “ojos” en el centro de algunos huracanes, por ejemplo.

Más allá de la Tierra, una estructura hexagonal se ha localizado en el polo norte de Saturno y formas triangulares han sido avistados en el centro de la galaxia espiral NGC 598 – que lleva a algunos astrofísicos sugerir que su núcleo contiene tres vórtices satélite.

Reflexionando sobre esta última contribución al estudio de vórtices, el Dr. Packard dijo a physicsworld.com en Berkeley: “Encuentro fascinante que los vórtices, que se producen en tantos lugares en la naturaleza, son aún objeto de investigación después de más de doscientos años de escrutinio de algunos de los mejores cerebros en la ciencia “.

Característica nube hexagonal en el polo norte de Saturno, descubierta por Voyager 1 y confirmada en 2006 por Cassini. [1] [2]

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