Entendiendo la Frecuencia de la Calle de Vórtices de Kármán en Dinámica de Fluidos
Dinámica-de-Fluidos:-Comprensión-de-la-Frecuencia-de-la-Calle-de-Vórtices-de-Kármán
¿Alguna-vez-te-has-preguntado-cómo-predecir-la-frecuencia-de-los-vórtices-alternos-que-se-forman-detrás-de-los-objetos-en-un-flujo-de-fluido?-Bueno,-todo-se-reduce-a-un-fenómeno-fascinante-conocido-como-la-Calle-de-Vórtices-de-Kármán.-Aquí-es-donde-la-física-se-encuentra-con-el-arte,-formando-patrones-de-remolinos-que-pueden-ser-tanto-destructivos-como-hipnotizantes.-¡Aquí-tienes-una-exploración-de-cómo-cuantificarlo!
Introducción-a-la-Calle-de-Vórtices-de-Kármán
Una-Calle-de-Vórtices-de-Kármán-ocurre-cuando-un-fluido,-como-el-aire-o-el-agua,-fluye-más-allá-de-un-objeto-cilíndrico,-creando-vórtices-alternos-en-ambos-lados.-No-es-solo-una-curiosidad-académica;-esto-puede-tener-implicaciones-prácticas,-como-cómo-podría-vibrar-un-puente-o-cómo-una-chimenea-emite-sonido.
La-Fórmula-de-la-Frecuencia-de-la-Calle-de-Vórtices-de-Kármán
Para-calcular-la-frecuencia-(f)-de-estos-vórtices,-usamos-la-siguiente-fórmula:
Fórmula:f-=-(St-×-U)-/-D
Dónde:
f-=-Frecuencia-de-desprendimiento-de-vórtices-(Hertz,-Hz)St-=-Número-de-Strouhal-(adimensional)U-=-Velocidad-del-flujo-(metros-por-segundo,-m/s)D-=-Longitud-característica,-típicamente-el-diámetro-del-cilindro-(metros,-m)
Desglose-de-Parámetros
Aprofundicemos-en-lo-que-representa-cada-uno-de-estos-valores.
Número-de-Strouhal-(St)
El-número-de-Strouhal-refleja-las-características-de-frecuencia-del-desprendimiento-de-vórtices.-Su-valor-depende-del-número-de-Reynolds-(Re),-que-es-una-medida-del-régimen-de-flujo-alrededor-del-objeto.-Para-problemas-de-ingeniería-típicos,-St-es-aproximadamente-0.21-para-objetos-cilíndricos.
Velocidad-del-Flujo-(U)
La-velocidad-del-fluido-que-fluye-más-allá-del-objeto.-Este-es-un-determinante-clave-en-cuán-rápidamente-alternan-los-vórtices.
Longitud-Característica-(D)
En-general,-este-es-el-diámetro-del-cilindro-que-causa-la-calle-de-vórtices.-En-problemas-prácticos,-lo-mides-directamente-usando-una-regla-o-un-calibre.
Implementación-de-la-Fórmula
Ahora,-veamos-la-fórmula-en-un-formato-de-función-flecha-de-JavaScript:
(st,-u,-d)-=>-{-if-(st-<=-0-||-u-<=-0-||-d-<=-0)-return-"Valores-de-entrada-inválidos";-return-(st-*-u)-/-d;-}Cálculos-de-Ejemplo
Para-hacer-esto-más-tangible,-revisemos-un-par-de-cálculos-de-ejemplo:
Ejemplo-1
Suponiendo-que-tenemos-una-varilla-cilíndrica-de-diámetro-0.05-metros-colocada-en-un-túnel-de-viento-donde-la-velocidad-del-viento-(U)-es-de-15-metros-por-segundo,-y-el-número-de-Strouhal-(St)-se-sabe-que-es-0.21:
U-=-15-m/sD-=-0.05-mSt-=-0.21
La-frecuencia-se-puede-calcular-como:
f-=-(0.21-×-15)-/-0.05-=-63-HzEsto-significa-que-los-vórtices-alternarán-63-veces-por-segundo-detrás-de-la-varilla.
Ejemplo-2
Ahora,-consideremos-otro-escenario-donde-tenemos-un-poste-de-0.1-metros-de-diámetro-en-un-río-con-una-velocidad-de-flujo-de-10-metros-por-segundo-y-St-sigue-siendo-0.21:
U-=-10-m/sD-=-0.1-mSt-=-0.21
La-frecuencia-resulta-ser:
f-=-(0.21-×-10)-/-0.1-=-21-HzEn-este-caso,-los-vórtices-se-desprenden-21-veces-por-segundo.
Aplicaciones-Prácticas-de-la-Frecuencia-de-la-Calle-de-Vórtices-de-Kármán
Este-fenómeno-no-es-solo-teórico;-tiene-aplicaciones-reales-en-el-mundo:
- Ingeniería:-Evitar-la-resonancia-en-estructuras-como-puentes-y-rascacielos.
- Estudios-Ambientales:-Comprender-los-patrones-de-flujo-de-fluidos-alrededor-de-arrecifes-y-barreras-artificiales.
- Aviación:-Gestionar-el-flujo-de-aire-alrededor-de-aeronaves-para-reducir-el-ruido-y-mejorar-la-eficiencia.
Datos-Interesantes
¿Sabías-que-los-mismos-principios-pueden-ayudar-a-explicar-por-qué-los-cables-eléctricos-cantan-con-el-viento-o-cómo-los-peces-utilizan-los-vórtices-para-nadar-más-eficientemente?-La-Calle-de-Vórtices-de-Kármán-es-una-puerta-de-entrada-a-varios-fenómenos-físicos-fascinantes.
Preguntas-Frecuentes-(FAQ)
P:-¿Qué-es-el-número-de-Strouhal?
R:-El-número-de-Strouhal-es-un-número-adimensional-que-describe-mecanismos-de-flujo-oscilante,-particularmente-la-frecuencia-de-desprendimiento-de-vórtices-en-relación-con-la-velocidad-del-flujo-y-una-longitud-característica.
P:-¿Por-qué-ocurre-el-desprendimiento-de-vórtices?
R:-El-desprendimiento-de-vórtices-ocurre-debido-a-la-separación-del-flujo-sobre-un-objeto,-lo-que-resulta-en-vórtices-de-baja-presión-alternos-en-los-lados-opuestos-del-objeto.
P:-¿Puede-ser-peligrosa-la-Calle-de-Vórtices-de-Kármán?
R:-Sí,-si-la-frecuencia-de-desprendimiento-de-vórtices-coincide-con-la-frecuencia-natural-de-las-estructuras,-puede-causar-resonancia-y-posible-falla-estructural.
Conclusión
La-Calle-de-Vórtices-de-Kármán-es-un-aspecto-cautivador-de-la-dinámica-de fluidos con implicaciones prácticas en varios campos. Comprender cómo calcular la frecuencia de desprendimiento puede ayudar a ingenieros, científicos y entusiastas a gestionar y explotar sus efectos.