TRABAJO RELACIONADO CON EL EXPERIMENTO “CAÑON DE VÓRTICES”

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La teoría de la línea vorticial o 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 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. (https://invazorlibre.wordpress.com/2012/03/27/canon-de-vortices-porque-la-fisica-tambien-puede-ser-divertida/)

- RECURSOS

Cuadro 1. Recursos en miles de pesos

RECURSOS

VALOR UNITARIO

CANTIDAD

VALOR TOTAL

CAJA DE CARTON

$500

1

$500

VASOS PLASTICOS Y/O VELAS

$200

5

$1000

FOSFOROS

$500

1

$500

PAPEL

$500

$500

UN COMPAS (O ALGUN OBJETO CON UNA CIRCUFERENCIA DE UNOS 15 cm)

$500

$500

UN BISTURI O CUTER

$1000

$1000

UN ROTULADOR

$1000

$1000

CINTA PEGANTE ANCHA

$1000

$1000

OPCINOAL UNA CAMARA DE HUMO

Fuente. Autor del proyecto.

- PROCEDIMIENTRO

El proceso de fabricación de nuestro cañón de vórtices es muy sencillo. Tan sólo tenemos que marcar con el rotulador un círculo de unos 15 centímetros de diámetro en una de las paredes de la caja.

Es importante que esté bien centrado. Una vez dibujado, lo recortamos con el cúter y lo retiramos. Ya está listo nuestro cañón de vórtices, ¡así de fácil!

Para que funcione, lo único que tenemos que hacer es coger la caja y darle un golpe seco con las dos manos, una a cada lado de la caja, con el agujero siempre apuntando a nuestro objetivo.

Aunque nos pongamos a cierta distancia, la torre de vasos que hayamos construido se derribará, y las velas que hayamos encendido llegarán a apagarse.

Pero... el resultado no es muy visual, ya que no podemos percibir verdaderamente el efecto del cañón ni podemos observar cómo viajan por la habitación los vórtices toroidales creados. La solución a este problema es muy simple: meter humo en la caja.

Una máquina de humo no es barata, por lo que nosotros hemos ideado otra manera de conseguirlo. Es un proceso totalmente casero y un poquito peligroso, por lo que siempre deberá ser realizado por un adulto y a ser posible en exteriores (por ejemplo, en la terraza).

Se trata de coger un trozo de papel higiénico, prenderlo con un mechero y apagarlo enseguida. Con esto conseguiremos que se produzca humo y así al meter el trozo de papel en la caja, ésta empezará a llenarse.

Podemos repetir el proceso con un par de trozos más y seguidamente tapar el agujero con un folio y un poco de cinta aislante para que el humo no se escape. Insistimos encarecidamente en tener mucha precaución, ya que de no apagarlo bien podría llegar a prenderse la propia caja.

Ahora sí, cogemos nuestro cañón lleno de humo, retiramos el folio que hacía de tapa y... ¡LISTO! Al dar golpes veremos perfectamente cómo salen disparados los vórtices hacia nuestro objetivo (vasos, velas, cartas...). Podremos repetirlo cuantas veces queramos siempre que volvamos a llenar la caja de humo.

Registro Fotográfico

Gráfica 1. Elaboración experimento “cañón de vórtice”

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- RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Un cañón de vórtices es un juguete científico que impulsa el aire a distancia generando vórtices con forma toroidal.

Su mecanismo es muy similar a lo que ocurre cuando soplamos, pero en ese caso el aire se dispersa en menos de un metro de distancia y no tiene el efecto de nuestro cañón. Lo que hace que este último tenga más potencia es su gran estabilidad, que permite que los vórtices puedan llegar a atravesar toda una habitación sin perder fuerza, derribando objetos a su paso.

El movimiento de estos vórtices fue estudiado en 1858 por Helmholz, que establecía dos condiciones necesarias para su funcionamiento:

- Una superficie, que en este caso sería la pared de la caja. Otro ejemplo de vórtices son los tornados, en cuyo caso la superficie utilizada sería el suelo.

- Una fuerza potencial, que es la que ejercemos con las dos manos al golpear la caja.

Grafica 2. Cañon de vortice