Στρόβιλοι Von Karman: Εντοπίστηκαν σήμερα στο Αιγαίο

Όπως έχουμε γράψει σε εκτενές άρθρο τον περασμένο Οκτώβριο από το News247 , oι δίνες αυτές περιεγράφησαν για πρώτη φορά από τον Theodor von Kármán. Ο Κarman ήταν Ούγγρο-Αμερικανός φυσικός, που πρώτος μελέτησε τις φυσικές διεργασίες που τις δημιουργούν.

Οι στρόβιλοι αυτοί δημιουργούνται σε ένα ρευστό όταν η ροή διακόπτεται από κάποιο αντικείμενο. Στην περίπτωση της ατμόσφαιρας, η οποία θεωρείται επίσης ρευστό, οι στρόβιλοι Von Kármán δημιουργούνται στις υπήνεμες πλευρές μεγάλων ορεινών όγκων, οι οποίοι παρεμβάλλονται στην μεγάλης κλίμακας ροή του αέρα (άνεμος). Καθώς τα σύννεφα, καθοδηγούμενα από τον άνεμο, συναντούν έναν ορεινό όγκο, εξαναγκάζονται να κινηθούν περιμετρικά αυτού, δημιουργώντας στην υπήνεμη πλευρά του εντυπωσιακούς στροβίλους που διατάσσονται σχεδόν παράλληλα και έχουν αντίθετη φορά περιστροφής.

Στη χώρα μας, οι στρόβιλοι Von Kármán παρατηρούνται συνηθέστερα κατά τη ψυχρή περίοδο του έτους. Ειδικότερα, η επικράτηση βορείου ρεύματος στο Αιγαίο, όπως συμβαίνει αυτές τις ημέρες, ευνοεί την εμφάνιση των εντυπωσιακών αυτών νεφικών σχηματισμών στην υπήνεμη πλευρά της Σαμοθράκης, όπου το όρος Σάος (1611 m) δρα ως εμπόδιο στην κίνηση των νεφών.

Ανάλογο φαινόμενο με το σημερινό είχαμε στο Βόρειο Αιγαίο kai στις 30 Δεκεμβρίου 2007 και η περίπτωση μελετήθηκε από τους συναδέλφους στην ΕΜΥ ( Φραγκούλη Π., Τσινιάρη Ε, Παπαιωάνου Ι. ) . Το φαινόμενο παρουσιάστηκε μετά από μια ψυχρή εισβολή και για την εμφάνιση σημαντικό ρόλο είχε η επίδραση της “θερμής” θάλασσας , η κατώτερη αναστροφή (low level inversion) και η πνοή ανέμου εντάσεως περί τα 15 m/s ( 7 μπ). Λόγω των ισχυρών ανέμων που έπνεαν στην περιοχή, στα κατάντη του νησιού , δημιουργήθηκαν οι συγκεκριμένες δίνες. Αυτό το εξαιρετικά ενδιαφέρον θέμα πρωτοπαρουσιάσθηκε στην επιστημονική κοινότητα από την μετεωρολόγο της ΕΜΥ κα. Π. Φραγκούλη στο 12ο Διεθνές Συνέδριο Μετεωρολογίας που διεξήχθη τον Μάιο 2014 στο Ηράκλειο Κρήτης.

Η θαυμάσια νεφική δομή παρατηρείται την ψυχρή περίοδο του έτους σε συνθήκες επικράτησης του λεγόμενου καιρού βορειοανατολικού ρεύματος, δηλαδή μιας κυκλοφορίας που μεταφέροντας ψυχρές αέριες μάζες από την Ρωσία και την Ουκρανία πάνω από τα σχετικά θερμότερα ύδατα του Αιγαίου Πελάγους η οποία ευνοεί την δημιουργία οδών από νέφη stratocumulus σε όλο το Αιγαίο Πέλαγος. Η Σαμοθράκη, αποτελεί ένα κάθετο εμπόδιο στην επικράτηση αυτής της βορειοανατολικής ατμοσφαιρικής ροής με αποτέλεσμα, κάτω από συγκεκριμένες μετεωρολογικές συνθήκες, να γεννιούνται στην υπήνεμη πλευρά του νησιού αυτοί οι εκπληκτικοί στρόβιλοι που με εναλλασσόμενη περιστροφή διαχέονται προς το κεντρικό Αιγαίο Πέλαγος.

Οι δίνες von Kármán, μπορούν να σχηματιστούν σχεδόν παντού όπου η ροή του ρευστού έχει διαταραχθεί από ένα αντικείμενο. Στην περίπτωση αυτή, η μοναδική ροή παρουσιάζεται λόγω των ανέμων στις ψηλές κορυφές πάνω σε ηφαιστειακά νησιά. Καθώς οι άνεμοι εκτρέπονται γύρω από αυτές τις ψηλές περιοχές , η διαταραχή της ροής στα κατάντη διαδίδεται με τη μορφή των δινών που εναλλάσσονται με την κατεύθυνση περιστροφής τους.

Η ιστορία πίσω από την επιστήμη των ρευστών

Το 1940, η στενή (πλάτος 12 μέτρα) κρεμαστή γέφυρα της Tacoma (Washington, USA) κατέρρευσε λίγο καιρό (4 μήνες ) μετά τα εγκαίνια της, και οι λόγοι της κατάρρευσης αποδόθηκαν, ύστερα από έρευνα, στη δυναμική καταπόνησή της από τον άνεμο. Η καταστροφή αποτυπώθηκε συμπτωματικά σε κινηματογραφική ταινία, όπου βλέπει κανείς την προοδευτική αύξηση του ύψους ταλάντωσης της γέφυρας σαν συνάρτηση του χρόνου, λόγω συντονισμού της ιδιοσυχνότητας της γέφυρας με την συχνότητα της δυναμικής καταπόνησης.

Η γέφυρα είχε μήκος 853 μέτρα, και ήταν κρεμαστή σιδερένια, και είχε μελετηθεί από ένα από τα μεγαλύτερα μελετητικά γραφεία των ΗΠΑ. Η γέφυρα από την αρχή παρουσίαζε προβλήματα ταλαντώσεων όταν έπνεε άνεμος (όχι ιδιαίτερα μεγάλης ταχύτητας),και είχε μετρηθεί μία φορά ταλάντωση ύψους 1.5 μέτρα, χωρίς να πέσει.

Πριν την πτώση της γέφυρας της Tacoma λίγα ήταν γνωστά για τη δυναμική καταπόνηση των κατασκευών, οι οποίες υπολογίζονταν μόνο για στατικά φορτία. Ο άνεμος την ημέρα που έπεσε η γέφυρα ήταν 68 km/h, δεν ήταν δηλαδή εξαιρετικά υψηλή η ταχύτητα του ανέμου. Το πρόβλημα δημιουργήθηκε από τον συντονισμό της συχνότητας της εμφάνισης δινών πίσω από την γέφυρα (δυναμική καταπόνηση ) με την ιδιοσυχνότητα της γέφυρας.

Ο πρώτος που αντελήφθη τον μηχανισμό πτώσεως της γέφυρας ήταν ο διάσημος Καθηγητής της ρευστομηχανικής στο California Institute of Technology (CALTECH, USA) von Karman, ο οποίος και διετύπωσε την άποψη, ότι η καταστροφή αυτή ήταν περίπτωση συντονισμού από την περιοδική εκπομπή στροβίλων λόγω ανέμου, σύμφωνα με την θεωρία των περίφημων von Karman vortex street που είχε διατυπώσει ο ίδιος.

Πέραν της θεωρητικής επεξήγησης κατασκεύασε και ένα μικρό απλοποιημένο λαστιχένιο ομοίωμα της γέφυρας και το τοποθέτησε σε εργαστηριακά ελεγχόμενο ρεύμα αέρα. Σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα του αέρα η γέφυρα άρχισε να ταλαντώνεται πάρα πολύ βίαια καθώς όλα τα κυλινδρικά σώματα, όταν τίθενται κάθετα σε μια ροή ρεύματος, θα συμπεριφερθούν ποιοτικά όπως ο κυκλικός κύλινδρος.

Η ταλάντωση των γεφυρών δεν είναι το μόνο είδος προβλήματος που συναντάμε εξαιτίας της εκπομπής στροβίλων. Παραπλήσια προβλήματα εμφανίζονται σε υποβρύχιους αγωγούς (π.χ. διαθέσεως λυμάτων, μεταφοράς πετρελαίου κλπ.) στον πυθμένα της θάλασσας λόγω θαλασσίων ρευμάτων.

Αλλά παραδείγματα είναι τα καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας που δημιουργούν ήχο, ο οποίος συνήθως είναι μόνο ακουστική ενόχληση, αλλά σε συνδυασμό με το φαινόμενο της κόπωσης υλικών, αυτός ο υψηλής συχνότητας και μικρού μεγέθους ήχος είναι γνωστό ότι σπάει τα καλώδια!

Τα υποβρύχια περισκόπια είναι επίσης ευαίσθητα στις ταλαντώσεις σε συγκεκριμένες ταχύτητες εξαιτίας της εκπομπής στροβίλων, οπότε η προκύπτουσα θόλωση της εικόνας του περισκοπίου καθιστά το περισκόπιο άχρηστο. Επίσης οι περισσότερες καταστροφές από ανεμοπίεση σε χαμηλά κτίρια (στέγες, καμινάδες, τζαμαρίες κλπ.) οφείλονται σε στατικά φορτία και όχι σε δυναμικά, επειδή η κατασκευή των μικρών έργων είναι σχετικά με το μέγεθός τους, συμπαγής.

Ένα πείραμα με στροβίλους στο σπίτι

Θα χρειαστείτε ένα μεγάλο κουβά (κατά προτίμηση σκούρο χρώμα), ένα μπουκάλι μπλε μελάνι και κάποια σκόνη τάλκης. Μόλις συγκεντρώσετε αυτά τα βασικά στοιχεία, γεμίστε τον κάδο με νερό και προσθέστε λογικό ποσό μελάνης σε αυτό – ίσως ένα γεμάτο καπάκι.

Ανακατέψτε καλά, ώστε το νερό να γίνει ομοιόμορφα μπλε. Τώρα πατήστε το δοχείο σκόνης ταλκ με τα δάκτυλά σας, έτσι ώστε η σκόνη να πέσει απαλά στην επιφάνεια του νερού. Συνεχίστε να προσθέτετε τη σκόνη μέχρι να καλύψει ομοιόμορφα ολόκληρη την επιφάνεια. Με αυτό το εργαστήριο είναι έτοιμο και είναι καιρός να προχωρήσουμε στο πείραμα. Πάρτε ένα κυλινδρικό αντικείμενο σαν ένα στυλό, και τρυπήστε την επιφάνεια του νερού μαζί του έτσι ώστε να βάλετε μέσα κατά 10 cm περίπου το στυλό (Εάν η σκόνη τρέχει μακριά από τη συσκευή τύπου πένας, πρέπει να καθαρίσετε σωστά την επιφάνεια της πένας). Κρατώντας την πένα κάθετα στην επιφάνεια, μετακινήστε απαλά τη στυλό κατά μήκος της επιφάνειας και κοιτάξτε το δείγμα της. Θα πρέπει να δείτε τις δίνες von Kármán!

Αυτή η τεχνική απεικόνισης είναι ουσιαστικά παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε από τον Prandtl. Παίξτε με την ταχύτητα και το μέγεθος του κυλινδρικού σώματος. Θα δείτε ότι όσο πιο γρήγορα κινούμαστε, τόσο ταχύτερα δημιουργούνται οι δίνες και όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του σώματος, τόσο μεγαλύτερες είναι οι δαιδαλές. Κοιτάξτε προσεκτικά και παρατηρήστε προσεκτικά τις “στροβιλιές” που προέρχονται από το σώμα.