18. Ondas y remolinos

Muchos de los fenómenos físicos que vemos a diario no se pueden explicar basándose en las leyes elementales de la Física. Incluso un fenómeno tan corriente como el oleaje del mar en días de viento es inexplicable ateniéndose a los límites del curso escolar de Física.

Figura 80 (izquierda). Corriente tranquila ("laminar") de un líquido por un tubo. Figura 81 (derecha). Corriente "turbulenta" de un líquido por un tubo.

Pero, ¿por qué cuando un barco corta con su proa el agua tranquila se forman ondas que corren hacia los lados? ¿Por qué ondean las banderas cuando hace viento? ¿Por qué la arena de las playas forma ondas? ¿Por qué forma remolinos el humo que sale de las chimeneas de las fábricas?

Para explicar estos y otros fenómenos semejantes hay que conocer lo que se llama movimiento turbulento de los líquidos y de los gases. Aquí procuraremos decir algo de los fenómenos de carácter turbulento y de sus propiedades fundamentales, ya que en los libros de texto de las escuelas apenas si se mencionan.

Supongamos que un líquido corre por un tubo. Si al ocurrir esto todas las partículas del líquido se mueven a lo largo del tubo formando líneas paralelas tenemos el caso más sencillo de movimiento de un líquido, el flujo tranquilo o como dicen los físicos, "laminar". Pero este no es el caso más frecuente. Al contrario, lo ordinario es que el líquido corra por el tubo desordenadamente, que forme remolinos que van de las paredes al eje del tubo. Esto es lo que se llama movimiento turbulento. Así es como corre el agua por las tuberías de la red de abastecimiento (pero no por los tubos delgados, donde la corriente es laminar). El movimiento turbulento se produce siempre que la velocidad que lleva un líquido determinado al pasar por un tubo (de diámetro determinado) alcanza cierta magnitud, que se llama velocidad crítica[10].

Los remolinos que forma un líquido transparente al correr por un tubo de vidrio se pueden ver echando en aquél un poco de polvo ligero, por ejemplo, polvos de licopodio. Así se ven perfectamente cómo los remolinos van desde las paredes al eje del tubo.

Esta propiedad del movimiento turbulento se aprovecha en la técnica en los frigoríficos y refrigeradores. Cuando un líquido circula con movimiento turbulento por un tubo de paredes refrigeradas, sus partículas entran más pronto en contacto con las paredes frías que si se moviera sin formar remolinos.

Figura 82 (izquierda). Formación de las ondas en la arena de la playa por la acción de los remolinos del agua. Figura 83 (derecha). El movimiento ondulatorio de una cuerda en agua corriente se debe a la formación de remolinos.

No hay que olvidarse de que los líquidos son malos conductores del calor y que si no se remueven se calientan o se enfrían muy despacio. El intenso intercambio calorífico y material que realiza la sangre en los tejidos que baña también es posible gracias a que su circulación por los vasos sanguíneos no tiene carácter laminar, sino turbulento.

Esto que hemos dicho no se refiere solamente a los tubos, sino también a los canales abiertos y a los cauces de los ríos. El agua que corre por los ríos y canales tiene movimiento turbulento. Cuando se mide con precisión la velocidad de la corriente de un río, el instrumento registra pulsaciones, sobre todo cerca del fondo. Estas pulsaciones demuestran que la corriente cambia constantemente de dirección, es decir, que existen remolinos. Las partículas de agua del río no se mueven únicamente a lo largo del cauce, sino también de sus orillas al centro. Por eso no es cierto lo que dicen que en el fondo de los ríos profundos el agua tiene la misma temperatura (+4 ° C) durante todo el año. Debido a la remoción que hay en ellos, el agua de los ríos (no de los lagos) tiene una temperatura igual junto al fondo y en la superficie[11].

Los remolinos que se originan en el fondo del río arrastran consigo la arena más ligera y forman en él "ondas" de arena. Esto mismo se puede observar en las orillas del mar bañadas por las olas (Figura 82). Si el agua que corre junto al fondo del río fuera tranquila, la arena presentaría en él una superficie lisa.

De esta forma, junto a la superficie de los cuerpos que baña el agua se forman remolinos. Prueba de la existencia de estos remolinos es, por ejemplo, la forma ondulante que toma una cuerda extendida a lo largo de la corriente (cuando uno de sus extremos está atado y el otro libre). ¿Por qué ocurre esto? Porque el trozo de cuerda junto al cual se forma un torbellino (remolino) es atraído por él; pero un momento después este trozo será movido ya por otro remolino en sentido contrario, esto da lugar a que la cuerda se mueva como una serpiente (Figura 83).

Pasemos ahora de los líquidos a los gases, del agua al aire. ¿Quién no ha visto como los remolinos de aire arrastran el polvo que hay en el suelo, la paja, etc.? Esto no es más que una manifestación del movimiento turbulento del aire a lo largo de la superficie de la tierra. Cuando el aire corre a lo largo de una superficie acuática, en los sitios en que se forman remolinos, debido a la depresión que en ellos se produce, se eleva el agua formando una cresta, así se origina el oleaje. Esta misma causa da lugar a las ondas arenosas que vemos en los desiertos y en las faldas de las dunas.

Ahora se comprende por qué ondean las banderas cuando hace viento. Con ellas ocurre lo mismo que con la cuerda en la corriente de agua. Las veletas no señalan constantemente la misma dirección cuando hace viento, sino que, sometidas a la acción de los remolinos, oscilan constantemente. El origen de los remolinos que forma el humo que sale de las chimeneas de las fábricas también es éste. Los gases que suben por la chimenea adquieren un movimiento turbulento que después de salir de ella prosigue durante cierto tiempo por inercia.

Figura 84. Fuerzas que actúan sobre el ala de un avión. Distribución de las presiones (+) y de los enrarecimientos (-) del aire en torno al ala según los experimentos realizados. Como resultado de todas las fuerzas aplicadas, de empuje y de succión, el ala es arrastrada hacia arriba. (Las líneas de contorno de trazo continuo representan la distribución de las presiones; las de trazo punteado representan esto mismo, pero cuando la velocidad de vuelo es mucho mayor.)

El movimiento turbulento del aire tiene gran importancia para la aviación. Las alas de los aviones se hacen de tal forma que debajo de ellas el sitio de enrarecimiento del aire resulta ocupado por el cuerpo de la propia ala, mientras que encima de ella, por el contrario, se intensifica el movimiento turbulento. A consecuencia de esto, el ala sufre por abajo un empuje y por arriba una succión (Figura 84). Fenómenos parecidos tienen lugar cuando los pájaros planean con las alas extendidas.

¿Cómo actúa el viento sobre un tejado sometido a él? Los remolinos crean sobre el tejado un enrarecimiento del aire; el aire que hay debajo del tejado tiende a igualar la presión y al subir le empuja desde abajo. Así ocurre lo que a veces tenemos que lamentar; el viento se lleva algún tejado ligero por estar mal sujeto. Por esta misma razón los vidrios de ventana grandes se cimbran hacia afuera cuando hace viento (y no se rompen por la presión exterior).

Pero estos fenómenos son más fáciles de explicar por el hecho de que cuando el aire se mueve, disminuye la presión (véase "Teorema de Bernoulli").

Cuando una corriente de aire, de temperatura y humedad determinadas, se mueve a lo largo de otra corriente de aire, de temperatura y humedad distintas, se producen remolinos en las dos. La diversidad de formas que presentan las nubes se debe en gran parte a esta causa.

Vemos, pues, que el círculo de los fenómenos relacionados con el movimiento turbulento de los líquidos y los sólidos es muy amplio.