Vibraciones por viento cruzado
Introducción
Una calle de vórtices de Von Kármán, también conocidos como torbellinos de Von Kármán es un patrón que se repite de vórtices en remolino causados por la separación no estacionaria de la capa de fluido al pasar sobre cuerpos sumergidos. Debe su nombre al ingeniero y estudioso de la dinámica de los fluidos, Theodore von Kármán.[1] Estos vórtices o torbellinos repetitivos son los responsables de fenómenos tales como el sonido por vibración de líneas telefónicas o líneas eléctricas suspendidas y la vibración de la antena de un automóvil a ciertas velocidades.
Análisis
Las calles de vórtices de Von Kármán ocurren solo cuando el número de Reynolds (Re) registra ciertos valores, por lo general superiores a 90. El número de Reynolds es una medida de la relación entre las fuerzas inerciales y las viscosas en el flujo de un fluido, la cual puede definirse mediante la siguiente fórmula:.
El rango de valores de Re oscilará según el tamaño y la forma del cuerpo a partir del cual se producen los vórtices así como de sus corrientes contrarias, es decir sus eddies o remolinos, lo mismo que en función de la viscosidad cinemática del fluido. Cuando se trata de rangos elevados de Re (47<Re<10 para cilindros circulares), se producen eddies en cada lado del cuerpo, formando dos filas de vórtices en su estela "Estela (rastro)"), cuyos centros se alternan, quedando en cada fila situados en una posición intermedia con respecto a los de la otra. Por último, la energía se consume por la viscosidad y el patrón se dispersa en función de la distancia de la fuente.
Cuando solo se produce un vórtice, alrededor del cuerpo se forma un patrón de flujo asimétrico y cambia la distribución de la presión. Esta producción de vórtices puede provocar fuerzas laterales periódicas sobre el cuerpo, causando vibraciones. Si el vórtice emite frecuencia similares a las de un cuerpo o estructura, produce resonancia "Resonancia (mecánica)"), afectando las líneas telefónicas, haciendo sonar las redes eléctricas o llevando a vibrar las antenas de radio "Antena (radio)") con más fuerza a ciertas velocidades.
Para un perfil aerodinámico la longitud de referencia depende del análisis. De hecho, la cuerda del perfil es normalmente elegida como la longitud de referencia también para el coeficiente aerodinámico para secciones de ala y perfiles delgados en los que el objetivo principal es maximizar el coeficiente de sustentación o la relación sustentación/destracción (es decir, como es habitual en la teoría del perfil delgado, uno emplearía la cuerda de Reynolds como el parámetro de velocidad de flujo para comparar diferentes perfiles). Por otro lado, para carenados y puntales el parámetro dado suele ser la dimensión de la estructura interna a racionalizar (pensemos por simplicidad que se trata de una viga de sección circular), y el objetivo principal es minimizar el coeficiente de arrastre o la relación arrastre/elevación. El principal parámetro de diseño que se convierte naturalmente también en una longitud de referencia es por lo tanto el espesor del perfil (la dimensión del perfil o área perpendicular a la dirección del flujo), en lugar de la cuerda del perfil.