Experimentos sobre la formación de ondas de Faraday: comparación con resultados teóricos

Abstract

En esta tesis se presentan resultados experimentales del fenómeno conocido como ondas de Faraday. Estas ondas pueden producirse cuando una capa de líquido contenida dentro de un recipiente es sometida a una oscilación vertical. Los valores críticos de aceleración y número de onda que caracterizan la aparición de estas ondas dependen básicamente de las propiedades fisicoquímicas del fluido utilizado, como así también de aspectos geométricos tales como la forma del recipiente y el espesor de la película líquida. En este trabajo, se muestran y discuten los valores críticos que determinan la formación ondas estacionarias. Experimentalmente estos valores se determinaron mediante procesamiento de imágenes. Las experiencias se llevaron a cabo utilizando recipientes de dimensiones semejantes pero con diferentes contornos: uno presenta un escalón descendente y el otro una playa constante. Los resultados experimentales se comparan con las soluciones de dos modelos. Uno de ellos resulta de linealizar las ecuaciones gobernantes del problema (Navier-Stokes y continuidad) y sus condiciones de contorno. El otro, es un modelo sencillo que se obtiene incorporando un término de amortiguamiento en la ecuación de evolución de la superficie libre de un fluido ideal, que contempla la disipación viscosa en el seno del líquido. A partir del buen acuerdo que existe entre los experimentos y las soluciones del modelo hidrodinámico lineal se concluye que el diseño experimental aquí propuesto, resulta adecuado para analizar las condiciones críticas del fenómeno cuando las paredes laterales no influyen en la formación de las ondas y la interfase está libre de contaminantes.

The thesis presents experimental results on Faraday wave formation phenomena. These waves are produced when a layer of liquid within a reservoir is exposed to vertical oscillation. The critical values of acceleration and wave length that characterize the appearance of these waves depend on the physical and chemical properties of the liquid, as well as the geometrical aspects such as reservoir shape and liquid layer thickness. The critic values that determine stationary wave formation are shown and discussed in this work. Experimentally, these parameters are measured by using image analysis. The experiments were performed using two similar vessels with different borders: one containing a descending slope and the other with a shallow border. Experimental results were compared with two models. The first one resulting from the linearization of Navier-Stokes and continuity equations together with its boundary conditions. The second one is a simple model that takes into account the viscous dissipation in the liquid by adding a damping term to the equation that describes the evolution of the free surface of an ideal fluid. With the concurrence between the experiments and the solutions given by the linear hydrodynamic model, we conclude that the experimental design proposed in this work can be suitable to study the characterization of Faraday wave formation with no influence of the boundary condition and contamination at the surface.