¿Alguna solución a la levitación hidrodinámica de Veritasium?

¡Así que este video de Youtube ha existido por un tiempo ahora, levitación hidrodinámica Veritasium! .

También estas preguntas Explicación de la mecánica de fluidos de un objeto levitado junto a un chorro de aire y Explicación de la levitación hidrodinámica pueden estar relacionadas.

Descripción

Para evitar enlaces podridos y personas que no quieran ver el video, intentaré explicar los fenómenos.

Tienes una esfera y un chorro de agua. El chorro de agua es vertical (la velocidad va en contra de la gravedad) y toca la esfera casi tangencialmente. La pelota no solo gira debido al chorro de agua, sino que también se mantiene a una altura constante del suelo. La velocidad angular se puede definir en la dirección del producto vectorial entre la posición del punto de contacto entre el chorro y la esfera (origen en el centro de la esfera) y la dirección del chorro. Algunas gotas de agua vuelan en la parte superior de la esfera lejos del chorro. Todo el sistema parece estacionario, siempre que el flujo de agua sea el mismo, la altura y la frecuencia parecen permanecer constantes.

Sugerencias

Derek dice claramente que no se trata del principio de Bernoulli, ya que en este caso la rotación de la pelota es importante.

Parece haber dos explicaciones: "el agua se adhiere a la esfera y se expulsa conservando el impulso horizontal" y el "efecto Magnus" (ME). Lo último no es tan obvio para mí ya que el sistema está en reposo con respecto al aire inmóvil y hay dos fluidos, agua y aire (¿ME significa que el aire empuja la pelota horizontalmente?).

Tenga en cuenta que el efecto Coandă (otra solución habitual) es la típica demostración de levitación de la pelota de ping-pong del secador de pelo que se explica por el principio de Bernoulli, por lo que no estoy seguro de que funcione como una respuesta satisfactoria.

Dudas

¿Algún artículo/video reciente ha discutido lo que sucede si haces el mismo experimento con esferas hidrofóbicas? ¿Se puede predecir con teorías de flujo laminar o necesita turbulencia? ¿Ocurriría este fenómeno sin aire, por ejemplo?

Se han planteado demasiadas preguntas, pero todavía no tantas respuestas en Internet.

Solo quería saber si se ha desarrollado algún formalismo hidrodinámico estándar para modelar este fenómeno o al menos si ha habido alguna caracterización experimental de los fenómenos (algún estudio del vínculo entre fricción, densidad, frecuencia, altura, radio, etc. ).

Actualmente no está claro qué pregunta exactamente esta pregunta sin hacer clic en el enlace que proporcionó. Para hacer que las preguntas sean más accesibles y evitar que se rompan los enlaces , incluya en su pregunta toda la información relevante, como la explicación de la notación o la terminología específica utilizada.
@ACuriousMind editado.
Dado que está revisando esta vieja pregunta, considere esta guía .
@rob gracias, ¿estaría bien fusionar todas las ediciones en una publicación coherente con la misma pregunta?
Esa es la idea: solo haz que tu publicación diga lo que debería decir. Las personas que sienten curiosidad por las versiones anteriores pueden hacer clic en el enlace "editado hace 5 horas".

Respuestas (2)

Esto se debe a la fricción, el efecto Coanda seguido del efecto Magnus.

En el medio, también mostró cómo el agua seguía la curva de la pelota. Esto se debe principalmente al 'efecto Coanda'.

de wikipedia ,

La tendencia de un chorro de fluido que emerge de un orificio a seguir una superficie plana o curva adyacente y arrastrar fluido de los alrededores de modo que se desarrolle una región de menor presión.

Aquí, el agua está tratando de arrastrar fluido de los alrededores. Cuando se acerca a una superficie, no puede extraer aire de los alrededores, lo que crea una región de baja presión entre la superficie y el chorro. Esto se debe a que, 'cuando algo se vacía de su lugar, algo debe llenar el vacío para mantener el equilibrio'.

En primer lugar, la bola comienza a girar debido a la fricción entre el agua y la superficie de la bola, que es como una turbina de Tesla. Como el agua golpea la pelota en un lado (no en el centro), empujará la pelota hacia el otro lado porque se interpone en el camino del agua. Una vez que la bola comienza a girar, el fluido que sigue a la superficie no se adhiere a la superficie por mucho más tiempo y se separa tangencialmente.

Aquí es donde entra en juego el 'efecto Magnus'. El efecto magnus crea una fuerza perpendicular a la dirección del chorro. Esta fuerza empuja la pelota hacia atrás para que permanezca en contacto con el chorro por un lado. Entonces, el peso de la bola giratoria lo soporta el chorro por completo.

La fuerza magnus es proporcional a la velocidad de rotación de la bola que es proporcional a la velocidad del chorro de agua.

Entonces, la pelota levita en el aire mientras la descarga del chorro se mantenga constante.

Bueno, en una capa límite, debido a la condición antideslizante, el fluido se adhiere a la pared. y la viscosidad entre las capas de fluido tiende a disminuir la velocidad de las capas cercanas debido al cizallamiento viscoso, por lo que se forma una capa límite. Aquí, por fricción, me refiero a la condición antideslizante en la superficie.
La fuerza de Magnus no parece correcta. ¿Conoces un ejemplo de la fuerza de Magnus entre dos fluidos? Mi problema con el efecto Magnus es que la bola está en reposo con respecto al aire.
La fuerza de Magnus es un fenómeno y el principio de Bernoulli es simplemente un esquema para calcular la cantidad total de presión; es solo una forma de obtener la cantidad aproximada de compensación de presión y velocidad. Además, el teorema de Bernoulli solo es válido para flujos incompresibles, no viscosos e irracionales a través de una línea de corriente. En este caso, toda la fuerza lateral para mantenerla en contacto con el chorro de líquido la proporciona el líquido que gira sobre la bola como resultado del efecto Magnus. Olvídese del aire, piense en una bola o cilindro giratorio en un fluido, experimenta la fuerza de Magnus.
Sí, el problema es que se vuelve demasiado descriptivo y, a partir de principios, no puedes ser muy predictivo. ¿Conoces algún artículo con experimentos similares?
Traté de buscar algunos pero no pude encontrar ninguno. Si te encuentras con alguno de ese tipo, por favor publícalo en los comentarios.
Hey, encontré algo de literatura sobre esto. Lo llaman 'malabarismo de fluidos'. Fue presentado en la 66ª Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos de la Sociedad Estadounidense de Física. aquí están los enlaces, arxiv.org/abs/1310.2925 youtube.com/watch?v=p9_aUQDGDbU researchgate.net/publication/257592629_Fluid_juggling

No me convence su uso (simplista) de la ley de Bernoulli para tratar de explicar este efecto. Claramente, el agua se adhiere a la pelota debido a los efectos viscosos y la tensión superficial, donde Bernoulli no puede usarse porque asume que las fuerzas viscosas son insignificantes.

En cambio, esta es una aplicación del efecto Magnus que explica cómo una pelota que gira se curva alejándose de su trayectoria de vuelo principal, como se observa, por ejemplo, en deportes de pelota como el béisbol. Debido a la rotación de la bola, arrastra el aire más rápido por un lado, creando una diferencia de presión que lo mueve en la dirección del lado de menor presión.

En realidad, el enlace de la gira a la NASA establece directamente que el levantamiento se debe a la ley de Bernoullis. Última viñeta en esa página (aunque lo que es un mito es la hipótesis del mismo tiempo)
¿su? En realidad nadie parece estar considerando este experimento como una simple aplicación de la ley de Bernoulli. Pero usando ecuaciones hidrodinámicas (continuidad-Euler eqs, Navier-Stokes) ¿podrías predecir este fenómeno? ¿Alguien ha dado una demostración clara de que se basa en la adhesión?
@lalala: me refería a la hipótesis del camino más largo, ahora me doy cuenta de que no es tan relevante, así que eliminé la declaración.
@Mauricio: el presentador del video (que es a quien me refiero con 'suyo') menciona claramente a Bernoulli varias veces. La región de baja presión es causada por el arrastre debido al movimiento giratorio de la bola, esto se puede capturar muy bien usando ecuaciones hidrodinámicas en algún marco de referencia rotacional. No tengo conocimiento de ninguna demostración de este tipo para este caso en particular, pero tal vez esto sea de interés.
@nluigi Derek el presentador afirma claramente que no es una demostración sobre el principio de Bernoulli, también se indica en la descripción del video. Él dice que pensó que el efecto Coănda se explica usando Bernoulli, pero este experimento con agua no.
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