El flujo de un fluido puede ser en general muy complicado. Consideremos, por ejemplo el humo que asciende de un cigarro encendido.A1 principio el humo se eleva con una forma regular, pero pronto aparecen turbulencias y el humo empieza a ondear de forma irregular. El flujo turbulento es muy difícil de estudiar y, por consiguiente, solo estudiaremos el flujo en estado estacionario. Consideremos en primer lugar un fluido que fluye sin disipación de energía mecánica. Dicho fluido se denomina no viscoso. Supondremos también que el fluido es incompresible, y por tanto, su densidad es constante. Puede verse en el dibujo un fluido que circula por un tubo cuya sección recta tiene un área variable.
Ecuación de continuidad.
El producto Q = Av es una magnitud denominada flujo de volumen Q, gasto o caudal. Las dimensiones de Q son las de volumen/tiempo (p.e. litros por minuto) En el flujo estacionario de un fluido incompresible, el caudal es el mismo en todos los puntos de fluido.
Ejemplo
La sangre circula por una arteria aorta de 1,0 cm de radio a 30 cm/s. ¿Cuál es el flujo de volumen?
La altura y sección del tubo van variando como se indica en el dibujo, por tanto, para el líquido:
Aplicando el teorema trabajo-energía y la ecuación de continuidad, se tiene
Lo que significa que esta combinación de magnitudes calculada en un punto determinado de la tubería tiene el mismo valor que en cualquier otro punto. La ecuación anterior se conoce como ecuación de Bernoulli para el flujo constante y no viscoso de un fluido incompresible. Sin embargo, la ecuación de Bernoulli se aplica en muchos casos a fluidos compresibles como los gases.
Una aplicación especial de la ecuación de Bernoulli es la que se tiene cuando el fluido está en reposo.
Ejemplo
Un depósito grande de agua tiene un orificio pequeño a una distancia h por debajo de la superficie del agua. Hallar la velocidad del agua cuando escapa por el orificio.
Aplicando la ecuación de Bernoulli a los puntos a y b de la figura y como el diámetro del orificio es mucho menor que el diámetro del deposito, podemos despreciar la velocidad del agua en su parte superior (punto a). Se tiene entonces
Este resultado se conoce como ley de Torricelli.
En el dibujo siguiente
está circulando agua por un tubo horizontal que tiene una región 2 de menor diámetro.
Véanse la figura siguientes:
Cuando el fluido se introduce en la región de menor diámetro, al ser menor el área A, la velocidad v deberá ser mayor, para que se mantenga constante el producto Av.
Por consiguiente, se reduce la presión en la parte estrecha. Esta ecuación es un resultado importante que se aplica en muchos casos en los que se pueda no tener en cuenta los cambios de altura. Este resultado se conoce como efecto Venturi.
De la ecuación se infiere que, si no existen desniveles, la presión hidrostática en una vena líquida ideal es mayor donde la velocidad es menor, es decir, en los lugares de mayor sección
La presión cinemática Pc representa la presión que el líquido ejercería en virtud de su velocidad, contra una superficie perpendicular a la dirección del movimiento.
De acuerdo con esto, si en una vena líquida se introduce un tubo con su orificio paralelo a las líneas de corriente y conectado con un manómetro adecuado, ver figura, se registra la presión hidrostática P. En cambio, si la boca del tubo enfrenta la corriente, se registra aquélla más la cinemática, es decir, la hidrodinámica P+Pc.
Ejemplo
Por una tubería circula agua a 4m/s bajo una presión de 200 kPa. La tubería se estrecha hasta la mitad de su diámetro original. Hallar (a) la velocidad y (b) la presión del agua en la parte más estrecha de la tubería.
(a) Como el área de la tubería es proporcional al cuadrado del diámetro, el área de la parte más estrecha es un cuarto del área original. Entonces, según la ecuación de continuidad Q = vA = constante, la velocidad en la parte estrecha debe ser 4 veces la que tiene en la parte ancha o sea 16 m/s.
(b) Para hallar la presión en la parte estrecha
Puede utilizarse de forma cualitativa el efecto Venturi para comprender el empuje ascensional que actúa sobre el ala de un avión y la trayectoria curva que sigue una pelota lanzada con efecto. El ala de los aviones se proyecta de forma que el aire se mueve con más rapidez sobre la parte superior de la misma que el que circula por su parte inferior, haciendo así que la presión del aire sea menor en la parte de arriba del ala que la existente en su parte inferior. Esta diferencia de presión da como resultado una fuerza neta sobre el ala dirigida hacia arriba.
Al hacer que una pelota gire en el momento de lanzarla se consigue que el aire que la rodea tienda a seguirla en su giro debido al efecto de arrastre. El movimiento del aire originado por el arrastre de la bola girando, se suma a la velocidad del aire que se mueve por un lado de la pelota, y se resta de ella por la otra parte.
Así pues, la velocidad del aire es más alta en la parte izquierda de la pelota que en la parte derecha y, de acuerdo con la ecuación
la presión en un lado es menor que en el otro.
Por consiguiente, la trayectoria se curva.
Aunque la ecuación de Bernoulli resulta muy útil para describir cualitativamente muchas de las características de un fluido en movimiento, normalmente resulta inadecuada cuando se compara cuantitativamente con los resultados experimentales. Por supuesto, los gases como el aire no son incompresibles, y los líquidos como el agua o la sangre poseen viscosidad; lo que invalida la suposición hecha de que se conserva la energía mecánica. Además, normalmente resulta difícil mantener el flujo estacionario sin que se produzca turbulencia.
Las conclusiones del teorema de Bernoulli son válidas aunque el tubo se ramifique; por ejemplo en el esquema representado en la figura siguiente la velocidad en la sección a es menor que en la b, por lo cual la presión hidrostática en la primera es mayor que en la segunda.
FLUJO VISCOSO
Los fluidos reales siempre experimentan al moverse ciertos efectos debidos a fuerzas de rozamiento o fuerzas viscosas. Así, la viscosidad es responsable de las fuerzas de fricción que actúan entre las capas del fluido. En los líquidos, esta surge de las fuerzas de cohesión entre las moléculas de la sustancia. La viscosidad en los líquidos disminuye con la temperatura, mientras que lo contrario sucede con los gases. Si un fluido no tiene viscosidad fluiría por un tubo horizontal sin necesidad de aplicar ninguna fuerza, su cantidad de movimiento sería constante. En un fluido real, sin embargo, para mantener un caudal de fluido estable debe mantenerse una diferencia de presiones entre los extremos de la tubería.
De esta manera, cuando el trabajo realizado contra estas fuerzas disipativas es comparable al trabajo total realizado sobre el fluido o al cambio de su energía mecánica, la ecuación de Bernoulli no puede utilizarse. La ecuación de Bernoulli es siempre válida para fluidos en reposo, ya que en este caso las fuerzas viscosas no tienen ningún efecto, pero para los fluidos en movimiento se ha de evaluar los efectos de dichas fuerzas. Por ejemplo, la ecuación de Bernoulli puede dar una descripción adecuada del flujo de la sangre en las arterias mayores de los mamíferos, pero no en los conductos sanguíneos más estrechos.
De acuerdo con la ecuación de Bernoulli, si un fluido "fluye" estacionariamente por una tubería horizontal estrecha y de sección transversal constante, la presión no cambia a lo largo de la tubería. En la práctica, como señalamos, se observa una caída de presión según nos desplazamos en la dirección del flujo: se requiere una diferencia de presión para conseguir la circulación de un fluido a través de un tubo horizontal.
Es necesaria esta diferencia de presión debido a la fuerza de arrastre o de frenado que ejerce el tubo sobre la capa de fluido en contacto con él y a la que ejerce cada capa de fluido sobre la adyacente que se esta moviendo con distinta velocidad. Estas fuerzas de arrastre o de frenado se denominan fuerzas viscosas. Como resultado de su presencia, la velocidad del fluido tampoco es constante a lo largo del diámetro de la tubería siendo mayor cerca de su centro y menor cerca de sus bordes, en donde el fluido entra en contacto con las paredes de la misma
Esta estructura de capas o flujo laminar se presenta en los fluidos viscosos a baja velocidad, en este caso puede considerase la velocidad media como la mitad de la velocidad máxima
Cuando la velocidad del fluido aumenta suficientemente, el flujo cambia de carácter y se vuelve turbulento, apareciendo torbellinos o remolinos irregulares denominados en inglés eddys.
En general, el flujo turbulento es indeseable ya que disipa más energía mecánica que el flujo laminar. Los aviones y los coches se diseñan de forma que el flujo de aire en sus proximidades sea lo más laminar posible. Asimismo, en la naturaleza el flujo sanguíneo en el sistema circulatorio es normalmente laminar en vez de turbulento
Ejemplo
Cuando la sangre fluye procedente de la aorta a través de las arterias principales, las arteriolas, los capilares y las venas hasta la aurícula derecha, la presión (manometrica) desciende desde 100 torr aproximadamente a cero. Si el flujo de volumen es de 0,8 litros/s, hallar la resistencia total del sistema circulatorio.
A continuación definiremos el coeficiente de viscosidad de un fluido. En el dibujo se muestra un fluido confinado entre dos placas paralelas, cada una de ellas de área A y separadas por una distancia y.
Mientras se mantiene la placa inferior en reposo, se tira de la placa superior con velocidad constante v mediante una fuerza F. Es necesario ejercer una fuerza F para tirar de la placa superior porque el fluido próximo a la placa ejerce una fuerza viscosa de arrastre que se opone al movimiento. La velocidad del fluido entre las placas es prácticamente igual a v en un lugar próximo a la placa superior y próxima a cero cerca de la placa inferior y varia linealmente con la altura entre las placas.
Como el Poise es demasiado grande para muchos líquidos se suele utilizar el centipoise cPoise, o el mPa.s (mili), que equivale a 1 cPoise. P.e. el agua a 20ºC tiene una viscosidad de 1cPoise.
Alguno valores de coeficientes de viscosidad para diferentes fluidos.
Generalmente, la viscosidad de un líquido aumenta cuando disminuye la temperatura. Así pues, en climas fríos el aceite a utilizar para lubricar los motores de los automóviles deben tener un grado de viscosidad más bajo en invierno que en verano.
Se conoce como Resistencia a la circulación de un líquido, como hemos visto, al cociente entre la diferencia de presión y el caudal
Ley de Poiseuille
Esta ecuación es conocida como la ley de Poiseuille. Muchas aplicaciones interesantes de la física de fluidos se basan en el estudio de flujos laminares en tubos cilíndricos, tales como tuberías de metal o arterias humanas. La Ley de Poiseuille, que fue descubierta experimentalmente por un médico, Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869), en sus investigaciones sobre el flujo en vasos sanguíneos, relaciona el caudal con la viscosidad, la caída de presión, el radio y la longitud del tubo. Obsérvese la dependencia con la inversa de r4 de la resistencia al flujo de fluido. Si se divide por la mitad el radio de la tubería, la caída de presión para un flujo y viscosidad dados se aumenta en un factor de 16; o bien se necesita una presión 16 veces mayor para impulsar el fluido a través del tubo con el mismo flujo de volumen. Por ello, si se reduce por alguna razón el diámetro de los vasos sanguíneos o arterias, sucede que disminuye grandemente el flujo de volumen de la sangre, o el corazón debe realizar un trabajo mucho mayor para mantener el mismo flujo de volumen. Para el agua que fluye por una manguera larga de jardín, la caída de presión es la que existe desde la fuente de agua hasta el extremo abierto de la misma a presión atmosférica. Del mismo modo, el flujo es proporcional a la cuarta potencia del radio. Si el radio se divide por la mitad, el flujo disminuye en un factor de 16.
La ley de Poiseuille se aplica sólo al flujo laminar (no turbulento) de un fluido de viscosidad constante que es independiente de la velocidad del fluido. La sangre es un fluido complejo formado por partículas sólidas de diferentes formas suspendidas en un líquido. Los glóbulos rojos de la sangre, por ejemplo, son cuerpos en forma de disco que están orientados al azar a velocidades bajas pero que se orientan (alinean) a velocidades altas para facilitar el flujo. Así pues, la viscosidad de la sangre disminuye cuando aumenta la velocidad de flujo, de forma que no es estrictamente válida la ley de Poiseuille. Sin embargo, dicha ley es una aproximación muy útil a la hora de obtener una comprensión cualitativa del flujo sanguíneo.
Ejemplo
FLUJO TURBULENTO
La ley de Poiseuille se cumple solamente para flujos laminares. Sin embargo, frecuentemente el flujo no es laminar, sino turbulento, y se parece entonces a la estela de una lancha rápida, con torbellinos y remolinos.
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
Cuando la velocidad de flujo de un fluido resulta suficientemente grande, se rompe el flujo laminar y se establece la turbulencia. La velocidad crítica por encima de la cual el flujo a través de un tubo resulta turbulento, depende de la densidad y de la viscosidad del fluido y del radio del tubo.
En la práctica, el flujo turbulento se trata mediante diversas reglas empíricas y relaciones obtenidas tras muchos estudios experimentales.
Para poder determinar cuándo el flujo es laminar y, por lo tanto, si la ley de Poiseuille puede aplicarse, utilizaremos una de estas reglas empíricas.
Ejemplo
Por lo tanto el flujo es laminar, ya que este valor es mucho menor que 2000.
El número de Reynolds indica también si el flujo alrededor de un obstáculo, como la proa de un barco o el ala de un avión, es turbulento o laminar. En general, el número de Reynolds al que aparece la turbulencia depende mucho de la forma del obstáculo.
Ejemplo
Enviado por:
Pablo Turmero