miniatura|Simulació numèrica d'una inestabilitat temporal de Kelvin-Helmholtz La inestabilitat de Kelvin-Helmholtz (en honor a Lord Kelvin i Hermann von Helmholtz) és una inestabilitat de fluids que es produeix quan hi ha un cisallament de velocitat en un únic fluid continu o una diferència de velocitat a través de la interfície entre dos fluids. Les inestabilitats de Kelvin-Helmholtz són visibles a les atmosferes dels planetes i les llunes, com ara en les formacions de núvols a la Terra o la Taca Vermella de Júpiter, i l'atmosfera del Sol. miniatura|Inestabilitat de Kelvin-Helmholtz 2D en desenvolupament espacial a un nombre de Reynolds baix. Petites pertorbacions, imposades a l'entrada sobre la velocitat tangencial, evolucionen a la caixa computacional. Un nombre de Reynolds alt es caracteritzaria per un augment dels moviments a petita escala.
Visió general de la teoria i conceptes matemàtics esquerra|miniatura|Una inestabilitat de KH visible pels núvols, coneguda com a fluctus, sobre el Mont Duval a Austràlia miniatura|Una inestabilitat de KH al planeta Saturn, formada per la interacció de dues bandes de l'atmosfera del planeta. esquerra|miniatura|Les onades de Kelvin-Helmholtz s'eleven a 500 m de profunditat a l'oceà Atlàntic miniatura|Animació de la inestabilitat de KH, utilitzant un esquema de volum finit 2D de segon ordre La dinàmica de fluids prediu l'aparició d'inestabilitat i la transició a flux turbulent dins de fluids de diferents densitats que es mouen a diferents velocitats. Si s'ignora la tensió superficial, dos fluids en moviment paral·lel amb diferents velocitats i densitats produeixen una interfície que és inestable a pertorbacions de longitud d'ona curta per a totes les velocitats. Tanmateix, la tensió superficial és capaç d'estabilitzar la inestabilitat de longitud d'ona curta fins a una velocitat llindar.
Si la densitat i la velocitat varien contínuament a l'espai (amb les capes més lleugeres a la part superior, de manera que el fluid és RT-estable), la dinàmica de la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz es descriu mitjançant l'equació de Taylor-Goldstein:
on denota la freqüència de Brunt-Väisälä, U és la velocitat paral·lela horitzontal, k és el nombre d'ona, c és el paràmetre de valor propi del problema, és l'amplitud complexa de la funció de flux. El seu inici ve donat pel nombre de Richardson Normalment la capa és inestable per a Aquests efectes són comuns a les capes de núvols. L'estudi d'aquesta inestabilitat és aplicable a la física del plasma, per exemple en la fusió per confinament inercial i la interfície plasma-beril·li. En situacions on hi ha un estat d'estabilitat estàtica (on hi ha un gradient de densitat continu), la inestabilitat de Rayleigh-Taylor sovint és insignificant en comparació amb la magnitud de la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz.
Numèricament, la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz es simula amb un enfocament temporal o espacial. En l'enfocament temporal, el flux es considera en una caixa periòdica (cíclica) que es "mou" a velocitat mitjana (inestabilitat absoluta). En l'enfocament espacial, les simulacions imiten un experiment de laboratori amb condicions naturals d'entrada i sortida (inestabilitat convectiva). miniatura|Inestabilitat de KH a l'atmosfera solar, fotografiada el 8 d'abril de 2010.
Descobriment i història L'existència de la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz va ser descoberta per primera vegada pel fisiòleg i físic alemany Hermann von Helmholtz el 1868. Helmholtz va identificar que "cada vora geomètricament perfecta i afilada per la qual flueix un fluid l'ha d'esquinçar i establir una superfície de separació". Després d'aquest treball, el 1871, el col·laborador William Thomson (més tard Lord Kelvin) va desenvolupar una solució matemàtica de la inestabilitat lineal mentre intentava modelar la formació d'ones de vent oceànic.
Al llarg de principis del segle XX, les idees de les inestabilitats de Kelvin-Helmholtz es van aplicar a una sèrie d'aplicacions de fluids estratificats. A principis de la dècada de 1920, Lewis Fry Richardson va desenvolupar el concepte que aquesta inestabilitat de cisallament només es formaria on el cisallament superés l'estabilitat estàtica deguda a l'estratificació, encapsulat en el nombre de Richardson.
Les observacions geofísiques de la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz es van fer a finals dels anys seixanta i principis dels setanta, per als núvols, i més tard per a l'oceà. miniatura|280x280px|Formació de núvols de Kelvin-Helmholtz sobre Hartford, Connecticut
Referències
Categoria:Dinàmica de fluids