Patrones en el flujo laminar del agua del grifo

Este es un experimento simple que cualquiera puede hacer en casa. Abra el grifo para que el agua mantenga un flujo laminar y la sección transversal del flujo sea considerablemente delgada. Coloque su dedo 3-4 cm por debajo del flujo. Se observa un hermoso patrón ondulado en la superficie del agua que fluye, cerca de la región de su dedo. Cambiar la posición del dedo cambia la 'longitud de onda' de la onda.

La imagen adjunta muestra cómo hacer este experimento, aunque la resolución no es clara.

¿Cuál es la explicación de este fenómeno? Probablemente una pregunta más difícil sería si hay una explicación intuitiva para ello. ¡Gracias!

ingrese la descripción de la imagen aquí

mi d i t : Observé un fenómeno similar en la piscina... cuando el agua está quieta, mueve tu mano lentamente a lo largo de la superficie del agua. Provoca un 'golpe' en el agua, que se desvanece en un patrón similar a una ola frente a su mano. Claramente son los mismos fenómenos: agua cayendo sobre la mano o mano moviéndose contra el agua.

Las respuestas a continuación son muy interesantes (¡Gracias!). Y por lo que puedo ver, todavía se están debatiendo, lo que sugiere que el fenómeno es menos trivial de lo que parece ser. Había aceptado una respuesta antes, pero ahora la retiro, ya que no la entendí completamente. Esperando más discusión al respecto. Sería muy emocionante encontrar una respuesta que sea elemental: sin recurrir a terminologías complejas de mecánica de fluidos.

@Qmechanic No pude marcar un duplicado. No me advirtieron antes de que me quitaran la habilidad. física.stackexchange.com/q/226441

Respuestas (3)

Astuta observación, y fenómenos muy interesantes. Sé con certeza que la razón por la que la columna de agua se estrecha a medida que se aleja del grifo se debe a la aceleración de la gravedad y al aumento de la velocidad del fluido. A mayor velocidad, menor presión. Dado que la presión exterior en todas partes a lo largo de la columna es esencialmente la misma, la columna se ve forzada a una sección transversal más estrecha más abajo de la columna: una vena contracta.

Pero en cuanto a la onda, solo puedo ofrecer una hipótesis:

La presencia de su dedo provoca una desaceleración repentina de la velocidad y, por lo tanto, un aumento de la presión que conduce a una discontinuidad y una especie de salto hidráulico circunferencial. Parte de la energía redirige el flujo radialmente a lo largo de la superficie de su dedo, pero parte de la energía se disipa en la capa límite de la columna sobre su dedo, generando ondas superficiales cilíndricas que viajan en la capa límite más lenta una corta distancia hacia arriba pero luego se amortiguan. Normalmente, las ondas superficiales utilizan la gravedad como fuerza restauradora, pero en este caso las fuerzas restauradoras pueden ser la tensión superficial, las variaciones de presión o ambas.

Gracias por tu comentario. Es una explicación plausible, y me gusta la idea de que la variación de presión puede ser responsable de restaurar la fuerza. Podría explicar la siguiente observación: si movemos el dedo hacia arriba, aumenta la 'longitud de onda' y el rango efectivo del patrón de onda. Podría suceder porque el amortiguamiento debido a la presión es menor en la corriente superior. Pero lo que es bastante misterioso es cómo este patrón de onda se convierte en una onda estacionaria. ¿Tienes una explicación?
@anuraganshu Si lo que se observa es una onda estacionaria, es probable que haya reflexión e interferencia. No puedo explicar de inmediato cómo podría ocurrir un reflejo.
@David2000 ok, puedes responder

¿Cuál es la explicación de este fenómeno?

"Golpe de ariete" https://en.wikipedia.org/wiki/Water_hammer

Hay un estudio de "Hasson y Peck", 1964, que explica la "Distribución del espesor en una lámina formada por chorros que chocan". Todo es básicamente la ecuación de Bernoulli; "Velocidad -> presión -> velocidad" y luego simplemente continuidad. Otra buena fuente es el Libro "Zhang, Zhengji, Freistrahlturbinen". Por suerte, puede obtener una vista previa de estas páginas en particular (53-54) aquí; http://www.springer.com/us/book/9783540707714 Es alemán, pero las ecuaciones y una imagen están ahí.

Cabe señalar que cuando la velocidad del flujo es lo suficientemente alta, estas ondas de presión de "golpe de ariete" ya no pueden viajar hacia atrás. Por tanto las olas son más grandes cuanto más corta es la caída libre y se hacen más pequeñas, y finalmente desaparecen cuando aumenta la distancia y por tanto la velocidad.

Un fenómeno muy similar son las "ondulaciones de la superficie libre" en las estructuras MEL, tal como lo explica Hubert Chanson. O el FR = 1 - 1,73 Salto hidráulico. Estas ondulaciones después de este salto son un poco diferentes, la energía y la continuidad no se pueden llenar con el mismo nivel de agua, por lo que la superficie debe hacer ondas de manera que se llenen los promedios de energía y continuidad.

No estoy del todo satisfecho con esta respuesta; aquí se presenta una vista más completa; física.stackexchange.com/questions/226441/…
Este fenómeno no tiene nada que ver con lo que se conoce como efecto "golpe de ariete". Esta es la llamada inestabilidad de Rayleigh, que es impulsada por la tensión superficial. Y no, la derivación de las ecuaciones de estabilidad requiere las ecuaciones de Euler y no puede confiar en Bernoulli.

La respuesta aceptada es incorrecta: las ondulaciones de la superficie que se ven en la imagen de arriba se deben a la inestabilidad de Rayleigh (o Rayleigh-Plateau), ver aquí .

Bueno, la inestabilidad de Rayleigh no puede viajar río arriba. Ni siquiera pareces entender la pregunta. por favor Intente esto una vez con el grifo y luego regrese con una respuesta sólida que explique cómo el dedo río abajo puede perturbar el flujo río arriba.
Te equivocas. Este es un flujo incompresible, donde las perturbaciones ciertamente viajan río arriba.
Sí, nunca tengo razón. -La Naturaleza siempre tiene la razón. ¿Ya has probado esto en el grifo contigo mismo?
Patrones en el flujo laminar del agua del grifo
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