¿Por qué se forman las ondas de lluvia y cuál es su conexión con la textura de la superficie en la que están?

Question

Cuando llueve y el agua fluye por una calle inclinada, pueden formarse ondulaciones que son llevadas a lo largo de la corriente. Aquí hay una imagen con un ejemplo de lo que estoy hablando

Me gustaría saber cuál es el mecanismo mecánico de fluidos para la formación de estas olas. Una rápida búsqueda en Google revela que han sido identificadas en alguna literatura científica como "olas de lluvia" (si tienes una suscripción a JSTOR puedes ver http://www.jstor.org/stable/4297089?seq=1) pero solo he podido encontrar descripciones fenomenológicas de sus propiedades sin detalles sobre la física que les da origen. En particular, me pregunto si la gente piensa que la superficie sobre la que fluye el agua debe tener una textura particular para dar origen a las olas.

Answer 1

Tengo una respuesta ligeramente diferente a la de Bernhard arriba, pero se basa en la misma idea de Inestabilidad Plateau-Raleigh.

La velocidad de una capa delgada de agua fluyendo va a ser más lenta que una capa ligeramente más gruesa. Así que espero que la capa delgada fluya más lentamente y el agua en una película más gruesa tienda a alcanzar a la capa delgada y se acumule para formar una 'pequeña ola' o 'ondulación' más rápida. La ola dejaría atrás una capa muy delgada de agua mojando el suelo antes de que llegue la próxima 'ondulación'.

Supongo que esto puede ser similar a cómo ondea una bandera.

En última instancia, creo que si el agua está fluyendo por una superficie plana, el mecanismo de flujo cambiará a medida que la tasa de flujo cambie de laminar a 'ondulaciones' a algún otro tipo de flujo y en algún punto la turbulencia será importante, este es un comportamiento clásico de un sistema no lineal donde cambiar un parámetro (la tasa de flujo de agua, por ejemplo) puede cambiar el mecanismo de lo que está sucediendo. En contraste, los sistemas lineales (por ejemplo, el Movimiento Armónico Simple - SHM) siempre muestran el mismo comportamiento (por ejemplo, para el SHM - comportamiento oscilante, pero con amplitud y frecuencia determinadas por las condiciones iniciales/variables del sistema).

Answer 2

Esta respuesta será mi hipótesis, de ninguna manera estoy absolutamente seguro acerca de esta respuesta, pero quiero compartir mis pensamientos.

Teniendo en cuenta el grosor de la película líquida y la inclinación de la superficie, puede ser una interacción entre la gravedad y la tensión superficial. Esto puede ser un ejemplo de la inestabilidad Plateau-Rayleigh, que se puede ver, por ejemplo, en el desgarramiento del chorro de agua de un grifo en gotas.

Además de la tensión superficial en sí misma, también se encuentra aquí el comportamiento de mojado, que puede ser la razón por la que se ven las largas rayas verticales. Así que mi intuición sería que la gravedad controla la velocidad de las rayas, la línea de mojado/contacto la forma y la tensión superficial controla el ancho o la longitud de onda.

En otras palabras. Si tienes una película líquida debido a la lluvia, la gravedad es la fuerza hacia abajo. El comportamiento de mojado en la parte delantera de la película, es una fuerza que actúa en sentido opuesto a ella. La tensión superficial ahora controla ese líquido detrás de ella. En algunos puntos, la película se rompe, de nuevo por la tensión superficial (Plateau-Rayleigh), dándote una nueva parte delantera y la historia se repite.

Estás preguntando sobre la textura de la superficie, y el aspecto más importante de la textura de la superficie está en el comportamiento de la línea de contacto. Diferentes texturas causan diferentes fuerzas opuestas o de ruptura. Supongo que las superficies rugosas (como una calle) tienen fuerzas opuestas más altas.

Answer 3

Y tal vez para añadir otro posible culpable al ring -- Creo que estas perturbaciones pueden ser ondas Tollmien-Schlichting que surgen durante la transición de un flujo laminar en la capa límite a un flujo turbulento en la capa límite.

Típicamente lo que comienzas a ver más adelante aguas abajo de este tipo de ondas es un componente rotacional en el flujo. El agua parece "enrollarse" en la dirección de flujo transversal y se produce "ruptura". Un ejemplo de cómo puede verse esto está en la parte inferior derecha de la figura (esta es una vista desde arriba de una capa límite sobre una placa plana)(fuente):

Básicamente las ondas T-S crecen a medida que avanzan aguas abajo y eventualmente se rompen, causando una vorticidad en el flujo transversal y se forman turbulencias. Patrones similares se pueden ver en el agua que fluye por un río, o yo argumentaría, láminas delgadas de agua fluyendo por el pavimento.