El cañón de vórtices, un experimento fácil de ejecutar y siempre espectacular

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El cañón de vórtices es un experimento muy popular en las olimpiadas de ciencia en EE.UU. y este vídeo nos muestra que además es muy divertido. La primera vez que lo ví fue en Karen Bouffard, “The Vortex Cannon,” The Physics Teacher 38: 18,2000, donde se explicaba cómo fabricarlo. Se puede usar humo, para ver los vórtices toroidales, o incluso no usarlo y que parezca que actúa por efecto de la magia. Con un poco de práctica es fácil generar vórtices con suficiente energía para recorrer más de 10 metros de distancia y apagar velas, romper una torre de vasos de plástico (como en el vídeo), o incluso simular un fantasma de aire que acaricia la cara de una persona. La potencia del cañón de vórtices depende del volumen de aire de la cavidad que lo produce, por lo que se recomienda usar una gran caja de cartón (en la que se cortará un agujero circular de unos ~15 cm de diámetro). Más información en Elisha Huggins, “Smoke Ring Physics,” The Physics Teacher 49: 488-491, November 2011. El vídeo lo he visto en Alvy, “El asombroso y original cañón de aire que dispara vórtices,” microsiervos, 22 marzo 2012.

Esta imagen muestra el campo magnético inducido por la corriente eléctrica que pasa por un hilo. Un vórtice en un fluido se produce cuando el campo de velocidad (v) del fluido tiene una distribución similar. La matemática de este problema fue introducida por Herman von Helmholtz en 1858, la llamada teoría de la línea vorticial (“vortex line theory”).  El campo de velocidad depende inversamente de la distancia a la línea central (1/r) y la constante de proporcionalidad se denomina circulación (κ), que corresponde a una integral de línea en una curva cerrada centrada en la línea central. Helmholtz fue capaz de derivar estas ecuaciones para un vórtice de fluido a partir de las leyes de Newton aplicadas al fluido.

El teorema de Helmholtz implica dos consecuencias. Por un lado, los vórtices no pueden nacer o acabar en un fluido de densidad constante, es necesario que haya una superficie (en el caso de la caja es la pared); en el caso de un tornado estas superficies son el suelo y las nubes. Y por otro lado, Helmholtz descubrió que la generación de los vórtices requiere una fuerza potencial (fuerzas de presión o fuerzas gravitatorias en el caso de un fluido); las fuerzas no potenciales (como la viscosidad) no pueden producir vórtices. Ambas propiedades permiten explicar la gran robustez de los vórtices y por qué son capaces de recorrer grandes distancias.

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Este vídeo japonés muestra el cañón de vórtices con caja de cartón más grande del mundo… ¡Cosas de japoneses!

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La colisión frontal de dos vórtices de diferente color también es muy espectacular, aunque es mejor verla uzando líquidos, como en este vídeo.

PS (26 mar. 2012): El maravilloso mundo de los solitones tipo vórtice y sus aplicaciones en la teoría de los quarks (vídeo IOP protagonizado por David Tong, Universidad de Cambdrige). Visto en Sean Carroll, “Baths and Quarks,” Cosmic Variance, March 26th, 2012.

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6 Comentarios

    1. Hombre pues se aplican muchas herramientas matemáticas vectoriales comunes: rotacionales, gradientes, flujos, densidades de flujo… etc. Como analogís son muy buenos para explicarse mutuamente… pero solo como analogía, hay que tener cuidado de hasta donde extendemos el significado físico de las cosas. Su comportamiento matemático bajo ciertas condiciones es similar, pero hasta ahí.

  1. Increible! Con esto se demuestra que estamos rodeados de muchos fenómenos físicos que hasta el hombre puede recrear. Ojalá y nuestra actual juventud sepa apreciar estos trabajos de investigación que pudieran ser de mucha utilidad para el avance científico.
    Envío saludos y muchas felicitaciones por estos trabajos. Uno nunca deja de aprendergracias a ustedes.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 24 marzo, 2012
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Physics • Science
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