¿Por qué sale agua de una botella al revés? (Inestabilidad de Rayleigh Taylor)

Actualmente estoy leyendo el excelente libro An Indispensable Truth: How Fusion Power Can Save the Planet de Francis F. Chen y encontré esta explicación.

La inestabilidad de Rayleigh-Taylor

Cuando volteas una botella de agua mineral boca abajo, el agua cae a pesar de que la presión atmosférica de 15 libras/pulgada cuadrada es ciertamente lo suficientemente fuerte como para soportar el agua. Esto sucede debido a una inestabilidad llamada inestabilidad de Rayleigh-Taylor, que se ilustra en la figura 5.5.

Si la superficie del fondo del agua permaneciera perfectamente plana, la presión atmosférica la mantendría. Sin embargo, si hay una pequeña ondulación en la superficie, hay un poco menos de agua presionando sobre la parte superior de la ondulación que en cualquier otro lugar, y el equilibrio entre el peso del agua sobre la ondulación y la presión atmosférica se altera. Cuanto más crece la onda, mayor es el desequilibrio y la onda crece más rápido.

Eventualmente, se convierte en una gran burbuja que se eleva hasta la parte superior, permitiendo que el agua fluya por debajo. Si sostienes el extremo de una pajilla llena de agua, el agua no se cae porque la tensión superficial evita que la interfaz se deforme así.

Figura 5.5. Desarrollo de una inestabilidad de Rayleigh-Taylor

Parece intuitivo y un poco interesante de física, pero es extraño porque nunca antes había oído hablar de esta explicación y con algunas búsquedas, este es el único lugar donde he podido encontrarlo que parece extraño. Entonces, ¿es correcto? Quiero decir que Chen es uno de los físicos de plasma más prestigiosos, así que no dudo de su habilidad física, pero está escribiendo para legos y quizás simplificado más allá de lo que es técnicamente cierto para demostrar mejor el principio de inestabilidad.

NOTA: Me disculpo por el uso de unidades imperiales en el texto, como británico estoy mucho más acostumbrado a las unidades SI, especialmente en ciencia. Sin embargo, he citado el texto textualmente para evitar posibles confusiones y creo que todos estamos familiarizados con el valor SI para la presión atmosférica de aproximadamente 1 kg por cm2.

Esta es ciertamente una explicación "popular" que he visto bastantes veces en las conversaciones. A ver si consigo alguna referencia.

Respuestas (1)

Lo que cita es básicamente la definición de inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Véase, por ejemplo, este artículo en Physica D. La inestabilidad de Rayleigh-Taylor se refiere precisamente a la inestabilidad lineal de la interfaz entre dos fluidos cuando un fluido menos denso empuja a uno más denso. Para obtener detalles sobre el análisis de estabilidad lineal, puede consultar Wikipedia o la mayoría de los libros de texto sobre mecánica de fluidos.

Tenga en cuenta que, como se trata de un fenómeno lineal, la inestabilidad RT solo se aplica cuando la magnitud de la perturbación es pequeña (cuán pequeña depende de varios parámetros físicos: viscosidad, densidades y tensiones superficiales de los fluidos involucrados). Cuando la perturbación ha crecido más que una cierta cantidad, se espera que se produzca un fenómeno verdaderamente no lineal.

Gracias, también publiqué esto en /r/physics que parecía tener el mismo consenso (aunque carecía de la buena referencia :)
Aparentemente, la inestabilidad también ha sido examinada experimentalmente . Tengo algunas dificultades para descargar el archivo PDF real, pero espero ver las imágenes.
He subido el pdf aquí : las fotografías son un poco confusas pero bastante impresionantes. El papel está escrito a máquina con gráficos dibujados a mano y todo, una verdadera explosión del pasado. Los días antes de LaTeX...
@Álex gracias! Seguí agotando el tiempo en el servidor de UBC, pero su enlace funcionó muy bien. Esas son algunas fotografías impresionantes, teniendo en cuenta que se hizo en los años 70 y estaba acelerando una bañera hacia abajo a 1,5 g.
¿Por qué sale agua de una botella al revés? (Inestabilidad de Rayleigh Taylor)
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