Estela (física)

Patrón de vela Kelvin generado por un pequeño barco.

En dinámica de fluidos, una estela puede ser:

• la región de recirculación de flujo inmediatamente detrás de un cuerpo movido o estacionario, causado por la viscosidad, que puede ser acompañada por separación de flujo y turbulencia, o
• el patrón de onda en la superficie del agua río abajo de un objeto en un flujo, o producido por un objeto en movimiento (por ejemplo, un barco), causado por diferencias de densidad de los fluidos por encima y por debajo de la superficie libre y la gravedad (o tensión superficial).

Viscosidad

Visualización de la calle Kármán vortex en el velo detrás de un cilindro circular en el aire; el flujo se hace visible a través de la liberación de vapor de aceite en el aire cerca del cilindro.

La estela es la región de flujo perturbado (a menudo turbulento) aguas abajo de un cuerpo sólido que se mueve a través de un fluido, causada por el flujo del fluido alrededor del cuerpo.

Para un cuerpo romo en flujo externo subsónico, por ejemplo, las cápsulas Apolo u Orión durante el descenso y el aterrizaje, la estela se separa masivamente y detrás del cuerpo hay una región de flujo inverso donde el flujo se mueve hacia el cuerpo. Este fenómeno se observa a menudo en las pruebas de túnel de viento de las aeronaves y es especialmente importante cuando se trata de sistemas de paracaídas, porque a menos que las líneas del paracaídas extiendan la cúpula más allá de la región de flujo inverso, la rampa puede no inflarse y colapsar. Los paracaídas desplegados en estelas sufren déficits de presión dinámica que reducen sus fuerzas de arrastre esperadas. A menudo se realizan simulaciones de dinámica de fluidos computacional de alta fidelidad para modelar flujos de estela, aunque dicho modelado tiene incertidumbres asociadas con el modelado de turbulencia (por ejemplo, implementaciones RANS versus LES), además de efectos de flujo inestable. Las aplicaciones de ejemplo incluyen la separación de etapas de cohetes y la separación de almacenamiento de aeronaves.

Diferencias de densidad

En fluidos incompresibles (líquidos) como el agua, se crea una estela de proa cuando una embarcación se mueve a través del medio; como el medio no se puede comprimir, debe desplazarse, lo que da como resultado una onda. Como ocurre con todas las formas de onda, se propaga hacia afuera desde la fuente hasta que su energía se supera o se pierde, generalmente por fricción o dispersión.

El parámetro adimensional de interés es el número de Froude.

Patrón de nube de onda en la estela de la Isla Amsterdam (más baja izquierda, a la "punta" de la formación triangular de nubes) en el Océano Índico Sur

Nube despierta de las Islas Juan Fernández

Patrones de vela en la nube sobre Possession Island, East Island, Ile aux Cochons, Île des Pingouins

Patrón de estela Kelvin

Fr = 0,5

Fr = 1

Fr = 2

Kelvin simulación de vela para la distorsión gaisiana (muestra además del velatorio) en varios números de Froude

Waterfowl y barcos que se mueven a través de la superficie del agua producen un patrón de vela, explicado matemáticamente por Lord Kelvin y conocido hoy como el patrón de vela Kelvin.

Este patrón consiste en dos líneas de vela que forman los brazos de un chevron, V, con la fuente de la vela en el vértice de la V. Para el movimiento suficientemente lento, cada línea de vela se compensa desde el camino de la fuente de vela por alrededor de arcsin(1/3) = 19.47° y se compone de ondas de plumas anguladas a aproximadamente 53° al camino.

Otros efectos

Lo anterior describe una estela ideal, donde el medio de propulsión del cuerpo no tiene ningún otro efecto sobre el agua. En la práctica, el patrón de olas entre los frentes de onda en forma de V generalmente se mezcla con los efectos del reflujo de la hélice y los remolinos detrás de la popa del barco (generalmente de extremos cuadrados).

El ángulo de Kelvin también se deriva para el caso de aguas profundas en las que el fluido no fluye a diferentes velocidades o direcciones en función de la profundidad ("cizallamiento"). En los casos en que el agua (o el fluido) tenga cizallamiento, los resultados pueden ser más complicados. Además, el modelo de aguas profundas ignora la tensión superficial, lo que implica que la fuente de onda es grande en comparación con la longitud del capilar.

Recreación

"Sin zonas de estela" puede prohibir las estelas en puertos deportivos, cerca de amarres y a cierta distancia de la costa para facilitar la recreación de otras embarcaciones y reducir los daños que causan las estelas. No se permite que los barcos angostos motorizados en los canales británicos creen un lavado rompiente (una estela lo suficientemente grande como para crear una ola rompiente) a lo largo de las orillas, ya que esto las erosiona. Esta regla normalmente restringe estos barcos a 4 nudos (4,6 mph; 7,4 km/h) o menos.

Las estelas se utilizan ocasionalmente con fines recreativos. Los nadadores, las personas que viajan en embarcaciones personales y los mamíferos acuáticos, como los delfines, pueden navegar por el borde de ataque de una estela. En el deporte del wakeboard la estela se utiliza como salto. La estela también se utiliza para impulsar a un surfista en el deporte del wakesurf. En el deporte del waterpolo, el portador de la pelota puede nadar mientras avanza la pelota, impulsado hacia adelante con la estela creada alternando brazadas en crol, una técnica conocida como dribbling.