Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


RELACION ENTRE LA TURBULENCIA Y LA VIDA

 

La turbulencia es responsable de los intercambios de calor que, en la atmósfera y en el océano, tienden a equilibrar la temperatura entre los polos y los trópicos, y sin los que la vida en la Tierra sería imposible. También es el mecanismo por el cual la energía generada en el interior del Sol se transmite a la fotosfera y, en definitiva, a nuestro planeta. A mayor escala, la turbulencia interestelar es el agente por el que los elementos pesados se homogeneizan en las nebulosas de las que se forman los sistemas planetarios, tales como el nuestro y, en definitiva, de las que provenimos nosotros mismos.

Pasamos la vida rodeados, e incluso sustentados por fluidos. La sangre recorre los vasos de nuestro organismo y el aire (un fluido propiamente dicho) fluye en nuestros pulmones. Nuestros vehículos se mueven a través del manto de aire de nuestro planeta o a lo largo de sus lagos y mares, propulsados también por otros fluidos, como el combustible y el comburente, que se mezclan en las cámaras de combustión de los motores. En nuestro planeta los flujos turbulentos representan el medio ambiente en el que se mueven y evolucionan los seres vivos, y condicionan por lo tanto su comportamiento y su ecología.

En la practica, todos los fluidos que interesan a científicos e ingenieros son turbulentos. Una comprensión profunda de la turbulencia puede permitir a los ingenieros reducir la resistencia aerodinámica de un automóvil o de un avión de pasajeros, mejorar la eficiencia del consumo de combustible de un motor. Se necesita también conocer la turbulencia para entender el flujo sanguíneo en el corazón, especialmente en el ventrículo izquierdo, donde el movimiento es muy vivo.

La turbulencia se compone de torbellinos: pedazos de fluido zigzagueantes y a menudo giratorios, que se mueven aleatoriamente alrededor y según la dirección media del movimiento. Desde un punto de vista técnico, se define como las variaciones caóticas observadas en los valores de las magnitudes termodinámica medidas de forma instantánea en el seno de la atmósfera, el estado caótico del movimiento fluido se alcanza cuando la velocidad del fluido supera el umbral especifico, por debajo del cual las fuerzas viscosas amortiguan el comportamiento caótico. Por ejemplo, al abrir la canilla de agua un poquito, el agua que fluirá desde la canilla lo hará suave y limpiamente. Este flujo se llama laminar. Si la abrimos un poca más, la corriente se transforma en enrollada y sinuosa, en otras palabras en turbulenta. El mismo fenómeno puede apreciarse en el humo ascendente de un cigarrillo encendido en el aire en calma. Por encima mismo del cigarrillo el flujo es laminar. Algo mas arriba se transforma en ondulado y difuso.

Este último concepto es de suma importancia a la hora de discutir cualquier proceso atmosférico. Cuando se mencione la velocidad, dirección del viento, temperatura, etc... no puede dejarse de entender que esta medida es un promedio temporal de las mismas propiedades.

La turbulencia puede considerarse como la fluctuación al azar sobrepuesta a los valores medios de una magnitud termodinámica medida en la atmósfera, como se puede apreciar en la figura:

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Sin embargo, la turbulencia no es un fenómeno indeseable, muchos ingenieros trabajan para incrementarla. En los cilindros de un motor de combustión interna, por ejemplo, la turbulencia mejora el mezclado del combustible y el comburente y produce una combustión mas limpia y eficiente. Sólo la turbulencia puede explicar por qué los hoyuelos de una pelota de golf permiten a un jugador experimentado lanzar la bola hasta 250 metros, en vez de 100 como máximo.

Existen varias teorías sobre el origen de la turbulencia, la teoría de la estabilidad de los flujos laminares parece ser la más aceptada. El movimiento de un fluido puede satisfacer todas las ecuaciones del movimiento y, sin embargo, ser inestable, esto es, las características del flujo experimentan cambios irreversibles cuando se introduce una perturbación. Un flujo laminar puede pasar a turbulento como se indica en la figura:

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En estas dos capas paralelas y uniformes de un fluido (sin fricción mutua) estos se mueven a diferentes velocidades:

  1. Si se introduce una perturbación en la zona de contacto
  2. La presión en el punto a, Pa, aumenta al disminuir la velocidad en este punto mientras que Pb disminuye al acelerarse el fluido en el punto b. El resultado es que la diferencia de presiones produce una fuerza neta que empuja al fluido en la zona de contacto hacia el punto b. Esto acentúa aún más la perturbación de la zona de contacto, se inicia la formación de torbellinos y la perturbación se termina propagando a todo el fluido dando lugar a la creación de un flujo turbulento.

La turbulencia de un fluido puede visualizarse como un conjunto de torbellinos de diferente escala que se superponen al flujo medio. Los torbellinos de mayor escala se fraccionan en torbellinos de menor escala transfiriendo energía de las fluctuaciones de gran escala a las de menor escala en un proceso de cascada energética que termina en los choques moleculares.

El transporte de calor y masa en un flujo turbulento es millones de veces más rápido que en uno laminar, y muchas aplicaciones industriales y fenómenos naturales dependen de ello.

En las escalas más grandes no hay que insistir en el efecto del clima y del tiempo atmosférico en los animales y en los planetas. A escalas más pequeñas, la turbulencia oceánica es el medio ambiente del plancton, y tiene una gran importancia económica en el ámbito de la industria pesquera.

A nivel industrial, la mezcla turbulenta es un agente fundamental en la combustión y en la industria química. Sin su ayuda, el proceso de azucarar una taza de café tardaría aproximadamente un día, y sería imposible evacuar el calor generado por una central térmica.

Pero estos mismos flujos de transporte pueden ser perjudiciales, y más de la mitad de la resistencia de los automóviles y de los aviones se debe a la turbulencia.

Su control, tanto para inhibirla como para promoverla, ha sido siempre un área de alto interés tecnológico, aunque sólo fuera posible hasta ahora en casos muy particulares. Pese a su dificultad, el estudio de la turbulencia es pieza fundamental de la dinámica de fluidos. De forma similar la aplicación de poderosos ordenadores para simular y estudiar corrientes fluidas que parecen ser turbulentas constituye una parte importante de la naciente dinámica de fluidos computacional. En los últimos años, los expertos en dinámica de fluidos han utilizado superordenadores para simular flujos; como por ejemplo el movimiento de la sangre en un corazón artificial.

De aquí a diez años quizá, los investigadores simularan el flujo de aire a través de conductos clave en un motor de reacción y obtendrán una simulación realista de un conjunto operativo cilindro-piston en un motor de combustión interna, incluyendo la admisión y quemado del combustible y la salida de los gases por las válvulas.

Gracias a simulaciones de esa índole se podrán comprender algunos de los secretos más profundos escondidos acerca de nuestra existencia.


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