Patrones en el flujo laminar del agua del grifo

Question

Este es un experimento sencillo que cualquiera puede hacer en casa. Abra su grifo de manera que el agua mantenga un flujo laminar y la sección transversal del flujo sea considerablemente fina. Coloca tu dedo a 3-4 cm por debajo del flujo. Se observa un hermoso patrón ondulado en la superficie del agua que fluye, cerca de la región de su dedo. Al cambiar la posición del dedo, cambia la "longitud de onda" de la misma.

La imagen adjunta muestra cómo hacer este experimento, aunque la resolución no es clara.

¿Cuál es la explicación de este fenómeno? Probablemente una pregunta más difícil sería si hay una explicación intuitiva para ello. Gracias.

${\bf Edit:}$ He observado un fenómeno similar en la piscina... cuando el agua está quieta, mueve tu mano lentamente por la superficie del agua. Esto provoca un "bulto" en el agua, que se desvanece en forma de onda delante de la mano. Está claro que se trata del mismo fenómeno: el agua que cae sobre la mano o la mano que se mueve contra el agua.

Las respuestas que aparecen a continuación son muy interesantes (¡Gracias!). Y por lo que veo, siguen siendo objeto de debate, lo que sugiere que el fenómeno es más no trivial de lo que parece. Antes había aceptado una respuesta, pero ahora la retiro, ya que no la entendí del todo. Espero que se siga debatiendo al respecto. Sería muy emocionante encontrar una respuesta que sea elemental: sin recurrir a complejas terminologías de la mecánica de fluidos.

Answer 1

Una observación astuta y un fenómeno muy interesante. Sé que la razón por la que la columna de agua se estrecha a medida que se aleja del grifo se debe a la aceleración por la gravedad y al aumento de la velocidad del fluido. Cuanto mayor sea la velocidad, menor será la presión. Dado que la presión exterior en todas las partes de la columna es esencialmente la misma, la columna se ve obligada a tener una sección transversal más estrecha a medida que avanza la columna: una vena contracta.

Pero en cuanto a la onda, sólo puedo ofrecer una hipótesis:

La presencia de su dedo provoca una repentina disminución de la velocidad y, por lo tanto, un aumento de la presión que provoca una discontinuidad y una especie de salto hidráulico circunferencial. Una parte de la energía redirige el flujo radialmente a lo largo de la superficie de su dedo, pero otra parte se disipa en la capa límite de la columna por encima de su dedo, generando ondas superficiales cilíndricas que viajan en la capa límite más lenta una corta distancia hacia arriba, pero luego se amortiguan. Normalmente, las ondas superficiales utilizan la gravedad como fuerza restauradora, pero en este caso las fuerzas restauradoras pueden ser la tensión superficial, las variaciones de presión o ambas.

Answer 2

¿Cuál es la explicación de este fenómeno?

"Martillo de agua" https://en.wikipedia.org/wiki/Water_hammer

Hay un estudio de "Hasson y Peck", de 1964, que explica la "Distribución de espesores en una lámina formada por chorros que impactan". Todo es básicamente la ecuación de Bernoulli; "Velocidad -> presión -> velocidad" y luego simplemente continuidad. Otra buena fuente es el libro "Zhang, Zhengji, Freistrahlturbinen" Por suerte, puedes ver estas páginas en particular (53-54) aquí; http://www.springer.com/us/book/9783540707714 Es alemán, pero las ecuaciones y una foto están ahí.

Hay que tener en cuenta que cuando la velocidad del flujo es lo suficientemente alta, estas ondas de presión del "golpe de ariete" ya no pueden retroceder. Por lo tanto, las ondas son más grandes si la caída libre es más corta y se hacen más pequeñas, y finalmente desaparecen cuando la distancia y, por lo tanto, la velocidad aumentan.

Un fenómeno muy similar es el de las "ondulaciones de la superficie libre" en las estructuras MEL, tal y como explica Hubert Chanson. O el salto hidráulico FR = 1 - 1,73. Estas ondulaciones después de este salto es un poco diferente, la energía y la continuidad no puede ser llenado con el mismo nivel de agua, por lo que la superficie debe hacer olas de una manera que la energía y la continuidad avareges se llenan.

Answer 3

La respuesta aceptada es incorrecta: las ondulaciones de la superficie que se ven en la imagen anterior se deben a la inestabilidad de Rayleigh (o Rayleigh-Plateau), véase aquí .