Vórtices de Von Kármán
Aunque no lo parezca, existe relación ente la caída del puente de Tacoma Narrows, un físico de Hungría, los cielos de algunas zonas como las islas Canarias, los aviones y las palas de los aerogeneradores.
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En noviembre de 1940, el puente de Tacoma, de 1600 metros de longitud, comenzó a oscilar como si fuera de papel, debido a la accion continua de un viento a 65 km/h. Su estructura se debilitó y, finalmente colapsó quedando completamente destruido. ¿Cómo fue posible este suceso?
El puente de Tacoma sufrió lo que se llama “efecto de flameo”. Este efecto provoca que un material vibre de modo ausotostenido (estacionario) debido a la energía que absorbe del fluido que le rodea. Estro significa que la vibración, que debería ser amortiguada por las propiedades elásticas del sólido, no se atenúa. El sólido entra en resonancia provocando su autodestrucción. Esto es provocado por los vórtices o torbellinos en el viento.
Von Kármán (1881-1963) describió este fenómeno y los vórtices de Von Kármán asociados, que ocurren cuando el viento o el agua se encuentran con un obstáculo. Contribuyó a la mecánica de fluidos, teoría de turbulencia, vuelos supersónicos, matemáticas de la Ingeniería, estructura de los aviones y Física aeronáutica de cohetes espaciales.
Según Von Kármán, existe una "velocidad de flameo" en la cual las partes de un avión o un cohete comienzan a vibrar. Esto es peligroso para el vehículo y tripulación ya que puede destruir la estructura.
En Meteorología también pueden observarse estos vórtices y, a veces, son llamados “calles de nubes”. Se trata de filas casi paralelas de vórtices, situados en posiciones y sentidos de giro alternos a lo largo de la estela de un obstáculo (por ejemplo una isla) en un fluido (como, por ejemplo, la atmósfera) en determinadas condiciones favorables. Estos vórtices, se pueden manifestar en forma de remolinos nubosos en capas bajas atmosféricas cuando hay condiciones para la condensación.
¿Por qué se forman estas estructuras?
Estas estructuras se forman cuando existen nubes de tipo estratocúmulos o cúmulos en zonas dominadas por anticiclones subtropicales, como el caso de las islas Madeira, Canarias, Cabo Verde o las islas Guadalupe y Socorro. Son zonas se gran estabilidad atmosférica pero con una fuerte inversión térmica, es decir, una capa de aire donde la temperatura se incrementa con la altura (debería disminuir) y su efecto es como el de una 'tapadera' atmosférica.
Con estas condiciones, el flujo aéreo se ve obligado a moverse de forma horizontal a baja altura y, si una isla o montaña se sitúa en su camino y lo supera en altitud, el flujo se ve obligado a rodearla, generando estas calles-remolinos. Todos los vórtices de una calle tienen la misma circulación y es opuesta a la otra línea de remolinos. Un par de vórtices se pueden crear en periodos de horas, pueden tener un ciclo de vida de hasta 30 horas y sus ondas pueden tener hasta 50 kilómetros de longitud. La anchura de la isla obstáculo es la que determina el espaciado de los remolinos. Este fenómeno también se produce en las palas de los aerogeneradores.
Son el mismo fenómeno que le ocurre al flujo aéreo bajo las alas de un avión o en el ondear de una bandera. Incluso cuando bajamos las ventanillas de un coche a gran velocidad estamos rompiendo el flujo continuo del aire y creando diferencias de presiones, dando lugar a vibraciones (efecto helicóptero al abrir las ventanillas traseras de un coche). El aire entra, pero también sale por el mismo orificio, la ventanilla, produciendo un vórtice cuyo sonido es tan molesto (efecto de resonancia de Helmholtz)
Este tipo de efectos provocan vibraciones y pérdidas de energía. En algunos casos conviene eliminar estas pérdidas, por ejemplo en las palas de los aerogeneradores. Actualmente se trabaja en el diseño de aerogeneradores sin palas, como el Vortex, con mayor rendimiento.
Ismael Camarero
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Para saber más:
https://www.ecured.cu/Theodore_von_K%C3%A1rm%C3%A1n
https://culturacientifica.com/2020/10/15/las-caracolas-de-helmholtz/
http://ve.scielo.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0378-18442008001000008
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