9.4: Saltación

Anteriormente en el curso traté de darle una imagen cualitativa de la naturaleza del movimiento de sedimentos por flujos de agua. Aprendiste que el sedimento es movido por el agua como carga de lecho y como carga suspendida. El panorama del transporte de sedimentos por vía aérea es algo diferente. Esto se debe básicamente a que la relación entre densidad de sedimentos y densidad de fluidos es casi tres órdenes de magnitud mayor en el aire que en el agua. Esto significa que una vez que una partícula de sedimento es puesta en movimiento por un flujo de aire, la partícula tiende a seguir una trayectoria que es en gran medida independiente de los detalles de turbulencia en el aire, debido a la gran inercia relativa de la partícula. En el agua, por otro lado, las partículas de sedimento en el transporte tienden a seguir bastante de cerca los patrones de movimiento en el agua misma.

Las fuerzas que el viento ejerce sobre las partículas de sedimentos que descansan sobre la superficie terrestre no son muy diferentes de las ejercidas por el agua que fluye, y las partículas pueden ponerse en movimiento como carga de lecho o elevarse en suspensión, al igual que en el agua que fluye. Pero las partículas de arena de tamaño o mayor, que se ponen en movimiento como carga de lecho, son capaces de hacer impactos mucho más fuertes con la superficie del sedimento, debido al efecto de amortiguación relativamente ligero del fluido. La consecuencia es mucho mayor importancia de los efectos balísticos o colisionales en el transporte eólico. Esto se manifiesta en un modo de transporte característico llamado saltación.

El término salación se utiliza para un modo de movimiento de partículas en el que las trayectorias de las partículas muestran el despegue del lecho en ángulos moderados a pronunciados y el descenso al lecho en ángulos pequeños. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra una trayectoria típica de salación tomada por un grano de arena saltante en el aire. Las trayectorias de saltación son bastante regulares, y luego muestran poco de la sinuosidad que podría esperarse del paso a través de remolinos turbulentos. Esto se debe a la relación típicamente grande de densidad de partículas a densidad de fluidos: las partículas tienen una gran inercia relativa, y pueden atravesar casi sin afectar a través de remolinos con velocidades de fluido locales bastante diferentes.

Figura\(\PageIndex{1}\): Trayectoria de salación típica de una partícula de arena movida por el viento.

La saltación es el modo dominante de movimiento de partículas cuando un fuerte viento sopla sobre una superficie de arena. Excepto en los vientos muy fuertes, las alturas de salación alcanzadas por los granos saladores rara vez superan el metro, y las longitudes de salación son en su mayoría inferiores a unos pocos metros. Hay, por supuesto, una distribución continua de alturas de salto y longitudes de salto, de cero al máximo. También hay una amplia variabilidad en los ángulos de despegue: van desde unas pocas decenas de grados hasta la vertical. Después de chocar con algunos granos de lecho particularmente inamovibles, ¡algunos granos saltantes incluso despegan con un componente aguas arriba a su movimiento!

Si tienes la suerte de estar fuera sobre una superficie de arena seca durante un viento fuerte, corre el riesgo de que te entre algo de arena en los ojos, nariz y boca, y bájate para una vista horizontal a la altura de los ojos de unas pocas decenas de centímetros por encima de la superficie. Se vería una capa nebulosa de granos saltantes, que se desprenden imperceptiblemente hacia arriba. Esta capa bien definida de granos saltantes se llama alfombra de salación. Si luego mirabas hacia abajo la superficie de la arena, verías una abundancia de granos superficiales empujados y troteados a lo largo de distancias cortas, solo uno o unos pocos diámetros de grano a la vez, presumiblemente al ser golpeados por granos saltantes. Ese modo de movimiento se llama fluencia superficial, pero en realidad no hay una ruptura brusca entre la fluencia superficial y la saltación.

Para ver bien las trayectorias individuales de saltación tendrías que estar ahí afuera por la noche con una luz estroboscópica. Lo mejor que se puede hacer es hacer brillar la luz estroboscópica directamente hacia abajo en la cama a través de una hendidura horizontal orientada paralela al flujo; de esa manera solo se ve una fina rebanada de la alfombra de salación. El efecto es llamativo. Fácilmente podrías hacer lo mismo en un túnel de viento casero, que no tiene que ser 418 más grande que el tamaño de la mesa. El tipo de túnel de viento más común para estudios de movimiento de arena (Figura 9-2) consiste en un conducto con una entrada acampanada, que pasa a una gran caja colectora con un extractor en la otra pared. Puede comenzar con la arena en el conducto, o puede bañarla en el extremo aguas arriba a través de una hendidura en el techo del conducto.

Figura\(\PageIndex{2}\): Un túnel de viento de tipo succión.

Muchos aspectos de la saltación no se entienden bien. Entre estos se encuentra el mecanismo que provoca el ascenso inicial de los granos. Dos efectos diferentes pueden ser importantes:

Fuerzas de elevación aerodinámicas

Este no es el lugar para discutir las complejidades de la ecuación de Bernoulli, que expresa la relación entre la presión del fluido y la velocidad del fluido en cualquier fluido que fluye. Baste decir que a lo largo de cualquier línea de flujo en el flujo existe una relación inversa entre la presión y la velocidad: donde la velocidad es alta, la presión tiende a ser baja, y donde la velocidad es baja, la presión tiende a ser alta. Esto es lo que hace volar a los aviones (Figura\(\PageIndex{3A}\)): la forma de la sección del ala es tal que el aire recorre una distancia más corta alrededor de la superficie inferior del ala que alrededor de la superficie superior, por lo que la velocidad es menor y la presión es mayor. Esta diferencia de presión entre la superficie inferior y la superficie superior del ala se llama levantamiento. Lo mismo ocurre con una partícula de arena que descansa sobre una superficie de sedimento (Figura\(\PageIndex{3B}\)): la velocidad es relativamente baja alrededor de la base de la partícula y relativamente alta en su parte superior, por lo que existe una fuerza neta de presión ascendente además del arrastre a favor del viento. Colisiones balísticas entre la partícula en movimiento y las partículas del lecho. Cuando una partícula voladora impacta con el lecho, imparte parte de su impulso a una o más partículas de lecho. Por lo tanto, es probable que una o más de las partículas del lecho sean lanzadas en movimiento por encima del lecho. Las velocidades y ángulos de despegue dependen de alguna manera muy complicada de la geometría local de disposición de los granos del lecho y de la velocidad y ubicación del impacto.

A pesar de muchas investigaciones a lo largo de los años, la importancia relativa de estos dos efectos, el levantamiento aerodinámico y las colisiones de partículas, sigue siendo controvertida.

Figura\(\PageIndex{3}\): Fuerzas de levantamiento aerodinámico. A) En el ala de un avión. B) Sobre una partícula sedimentaria.

Un aspecto aerodinámico interesante de la salación tiene que ver con las velocidades de rotación de las partículas saltantes. Las películas de ultra alta velocidad han revelado tasas de giro sorprendentemente altas de cientos de revoluciones por segundo. El sentido de giro es tal que la parte superior de la partícula se mueve más rápido en la dirección aguas abajo que la parte inferior de la partícula (Figura\(\PageIndex{4}\)). El origen de tan altas tasas de giro sigue siendo un misterio. Pero está claro que el movimiento de giro da lugar a una fuerza de elevación adicional no despreciable sobre la partícula, por lo que se conoce como el efecto Magnus: la rotación del grano altera el patrón aerodinámico a su alrededor de tal manera que en lugar de que el patrón sea simétrico alrededor del grano, el las líneas de racionalización están más cerca por encima del grano que por debajo de él (Figura\(\PageIndex{5}\)). Por la ecuación de Bernoulli, esto significa que la presión del fluido en la superficie del grano es menor por encima del grano que por debajo, causando una fuerza neta de elevación. Es el mismo efecto que hace para las bolas curvas, y para esas molestas rebanadas y ganchos.

Figura\(\PageIndex{4}\): El sentido de rotación de una partícula saltante.

Figura\(\PageIndex{1}\): El efecto Magnus

Excepto en el muy fuerte de los vientos, los granos de arena saladora rara vez alcanzan alturas mayores que en algún lugar entre uno y dos metros. Por lo que la concepción hollywoodense de una tormenta de arena, en la que el protagonista sale de su tienda hacia una nube cegadora y asfixiante, está equivocada: en una verdadera tormenta de arena el aire a la altura de los ojos es claro, pero las piernas están siendo bombardeadas por millones de granos de arena saltantes. Las tormentas de arena de Hollywood son realmente tormentas de polvo, lo que puede ocurrir solo donde no solo hay un fuerte viento sino también una capa superficial recién disponible de sedimentos finos, como de un flujo reciente de agua después de una fuerte lluvia. Las tormentas de polvo no son muy comunes en los desiertos, debido a que estos suministros frescos de sedimentos se ponen a disposición del viento con poca frecuencia.