Es un juego de piscina común:fuerza una bola flotante bajo el agua y suéltala. La pelota salta a la superficie y salta al aire. Pero, Sumerja la pelota más profundamente bajo el agua y el efecto a menudo es decepcionante. Contrariamente a nuestra intuición, el aumento de la profundidad de liberación a menudo conduce a una disminución de la altura de la ventana emergente.

Esta simple cuestión de dinámica de fluidos ha desconcertado a los físicos durante décadas, pero un nuevo estudio publicado el 1 de noviembre en Fluidos de revisión física , ofrece una nueva perspectiva del fenómeno y puede aclarar temas relacionados con la dinámica de salida del agua y la ingeniería oceánica.

Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Utah, El Dartmouth College y la Universidad Brigham Young utilizaron imágenes de alta velocidad y velocimetría de imágenes de partículas para describir por qué las esferas flotantes que ascienden a través de un fluido no siempre se comportan de la manera que esperamos.

"La altura de la ventana emergente depende de la velocidad de la esfera en el punto en que atraviesa la superficie libre, "dijo el investigador principal y profesor asistente de ingeniería mecánica en la USU, Tadd Truscott. "No importa qué tan profunda esté la pelota cuando se suelta. Hay una serie de factores que afectan su velocidad y trayectoria hasta que llega a la superficie".

Durante el ascenso, Las estructuras de estela y vórtice a menudo se forman alrededor de la esfera. El desprendimiento asimétrico de vórtices y las formaciones de estelas pueden alterar el movimiento ascendente de una esfera y dar como resultado una trayectoria no lineal. Los autores demuestran que las esferas ascendentes suelen caer en una de dos categorías de aceleración:1) un régimen vertical, o 2) un régimen oscilatorio.

"El régimen vertical exhibe una trayectoria submarina casi vertical y da como resultado las alturas emergentes más grandes, "explica Brenden Epps, profesor asistente de ingeniería en Dartmouth y coautor del estudio. "El régimen oscilatorio exhibe una trayectoria con movimientos laterales periódicos y da como resultado alturas emergentes más bajas. A veces, la pelota puede incluso romper la superficie y rozarla en lugar de elevarse en el aire".

Para probar el comportamiento de la esfera ascendente, Los investigadores sumergieron bolas de acero inoxidable en un tanque de prueba a varias profundidades y las mantuvieron en su lugar usando una ventosa conectada a un mecanismo de liberación de vacío. Después de un tiempo de espera suficiente para permitir que el agua entre en reposo, la ventosa soltó la esfera mientras cuatro cámaras sincronizadas de alta velocidad registraban su ascenso.

En total, Se realizaron 664 pruebas utilizando cuatro bolas de diferentes diámetros y profundidades de liberación. Como se esperaba, las alturas máximas de pop-up ocurrieron cuando las esferas se liberaron desde profundidades poco profundas. Las alturas emergentes más bajas ocurrieron cuando las esferas se liberaron desde mayores profundidades.

Pero la conversación no termina ahí. Parte del problema de la altura de la ventana emergente también depende de lo que le suceda a la esfera en el punto de ruptura de la superficie.

"Una vez que la esfera despeja la superficie, la única fuerza que actúa sobre él es la gravedad, "Añadió Truscott." Entonces, la altura de la ventana emergente está determinada por una transferencia de energía cinética a la energía potencial de la esfera después de limpiar la superficie. Sin embargo, la velocidad (y por lo tanto la energía cinética) de la esfera después de que ha despejado la superficie está dictada tanto por la velocidad a la que se acerca a la superficie (establecida por la dinámica submarina) como por el cambio de velocidad durante la ruptura ".

Los autores dicen que su estudio tiene una amplia gama de aplicaciones. Una mejor comprensión de la dinámica de salida del agua, ellos explican puede ser útil en ingeniería marítima y biología marina.

"Los pingüinos salen del agua después de una cacería o para evitar a los depredadores, "escriben". Se ha planteado la hipótesis de que los pingüinos emperador utilizan burbujas que se desprenden de sus plumas durante el ascenso para reducir el arrastre y aumentar la velocidad de salida y la altura de las ventanas emergentes. ... Otras aplicaciones importantes del efecto emergente incluyen la salida de vehículos bajo el agua, estructuras marinas flotantes y convertidores de energía de las olas ".