¿Por qué un chorro de agua se comporta así cuando se dirige contra una cuchara o un vaso?

Lo que está viendo es el resultado de ondas de presión que se mueven río arriba contra el flujo del agua.

Las ondas de presión en un fluido se mueven a la velocidad del sonido (porque el sonido es una onda de presión) y en el agua es de alrededor de 1,5 km/seg. Entonces, mientras el agua se mueve hacia abajo, el cambio de presión causado por golpear un obstáculo puede propagarse río arriba siempre que la velocidad del flujo de agua sea inferior a 1,5 km/seg. Si metieras un manómetro en el agua por donde sale el grifo verías aumentar la presión cuando metes la cuchara en el chorro de agua. Este aumento en la presión en efecto infla la columna de agua, y esto da el efecto que estás viendo en el video.

Calcular realmente el efecto y predecir su magnitud sería un problema formidable porque incluso los problemas simples en dinámica de fluidos pueden ser computacionalmente intratables. La táctica habitual es rendirse y buscar un programa de análisis de elementos finitos y una computadora grande. Menciono esto para darme una excusa para no explicar por qué obtienes el efecto pulsante en tu segundo video. También se debe a las ondas de presión que viajan río arriba, pero no sé exactamente por qué obtienes la oscilación.

Esta respuesta anterior, y también esta respuesta anterior mía " Patrones en el flujo laminar del agua del grifo ", son incorrectas ;

Comencemos desde lo básico;

The Tap tiene probablemente$3/4"$líneas y da un flujo de$12 \text{ l/min}$.
Entonces el área de flujo es$A=0.009525^2*\pi=0.000285 \text{ m}^2$
y el flujo$Q=0.012 m^3 / 60 s = 0.0002\text{ m$^3$/s}$
Por lo tanto, la velocidad del flujo es$V=Q/A= 0.7 \text{ m/s}$,

1. El golpe de ariete NO es la explicación.

Entonces, cualquier influencia causada por la velocidad del sonido en el agua $1481 \text{ m/s}$afectaría instantáneamente en esta escala. El golpe de ariete sigue siendo facilísimo de entender a partir de la formulación original de Joukowsky ;$\Delta p=\rho *c*\Delta v$(Aquí$c$es la velocidad de propagación de la onda). Como la presión es atmosférica, su cambio es prácticamente cero, lo que significa que también el cambio de velocidad debería ser cero en este caso.

2. El número de Froude NO es la explicación.

El diámetro de la tubería se usa a menudo como longitud característica para el flujo completo de la tubería, por lo tanto$F=\frac{v}{\sqrt{g*l}}=\frac{0.7m/s}{\sqrt{9.81m/s^2*0.019m}}=\frac{0.7m/s}{0.432}=1.62$y como el flujo es supercrítico$F>1$, ninguna onda debería poder propagarse río arriba, como se muestra en esta imagen, y también se puede probar fácilmente en cualquier laboratorio;

Una posible explicación; (...NO MAINSTREAM, lo siento por la corriente principal)
He observado que el número de Froude$F=sqrt3=1.73$todavía no causa pérdidas en el salto hidráulico; mira el resultado del experimento de la Oficina de Recuperación de EE. UU. en esta imagen; [Página 397, Fig. 15-3, Hidráulica de canal abierto. Ven Te Chow. McGraw-Hill, Nueva York, 1959.]
MIRA; USBR Curva experimental

En el eje Y de esta imagen hay energía de flujo; 1 = 100%, Y en el eje X el número de Froude$(F_1)$.$y_1$es la profundidad del agua antes del salto,$y_2$es la profundidad del agua después del salto,$h_j$es la altura del salto.$E_1$es la energía total antes del salto.$E_2$es la energía después del salto.

La curva punteada es USBR-Curva experimental para$\frac{\Delta E}{E_1}$ pérdida relativa , la curva continua es el valor teórico. La observación más importante de este experimento es que las pérdidas de energía son cero cuando$F<1.73$. El libro no señala esto, pero afirma;

La máxima profundidad relativa$y_2/E_1$es$0.8$, que ocurre en$y_1/E_1=0.4$y$F_1=1.73$. Los experimentos han demostrado que la transición de un salto ondular a un salto directo tiene lugar aproximadamente en este punto.$F_1=1.73$

Se puede notar fácilmente que$\frac{y_2/E_1}{y_1/E_1}=2$lo cual interpreto a través de mi idea no convencional sobre la turbulencia , que las partículas pueden mantenerse unidas con cualquier energía siempre que colisionen correctamente;$A_2/A_1$la proporción es$<2$, que en este caso también es$y_2/y_1$relación. (Explicado en el libro.) Cuando la Razón es$>2$luego, las moléculas individuales comienzan a abrirse paso. Así como simultáneamente la continua auto-ionización del Agua provoca algunos$H_2O$perder su$H$y crea$OH^-$-ionen, mientras que el H libre queda atrapado en$H_3O^+$y luego estas moléculas son empujadas lejos de sus contrapartes de modo que se altera el enlace de hidrógeno normal ;

los enlaces de hidrógeno se están rompiendo y reformando continuamente en escalas de tiempo más rápidas que 200 femtosegundos

Y así de repente el$OH^-$-los iones tienen otro$OH^-$-ion ​​como su vecino y$H_3O^+$tiene otro$H_3O^+$y como estos se repelen entre sí , el agua (cualquier fluido que no sea un gas de un solo átomo como$He$) de repente tiene superficies o grietas en el interior y, por lo tanto, ¡ya no se comporta de manera homogénea! Una de las principales suposiciones para resolver matemáticamente estos problemas hidrodinámicos es, por lo tanto, INCORRECTA; como esperan las ecuaciones de Navier Stokes;

las soluciones para las ecuaciones de Navier-Stokes se buscan en el conjunto de funciones solenoidales ("sin divergencia"). Para este flujo de un medio homogéneo , la densidad y la viscosidad son constantes.

las cosas que no son correctas, en realidad no pueden dar una solución sencilla para cualquier turbulencia.

Entonces, la respuesta, que se puede construir a través de esta idea para esta pregunta, es que las moléculas se están acumulando alrededor del punto de estancamiento, un núcleo que es lo suficientemente fuerte como para que se pueda acumular incluso las alturas que se ven en los videos. El ritmo pulsante en el segundo video es causado por el colapso de este núcleo, ya que el flujo circulante en el vaso empuja la parte inferior del núcleo para que se mueva.

Si esto es realmente así; No lo sé con certeza; Pero podría probarlo fácilmente con un experimento que tengo en mente. (Simplemente no tengo el equipo necesario) De todos modos, los resultados de las pruebas de laboratorio de mi turbina respaldan esto lo suficiente para mi propia satisfacción.