No importa dónde estemos, casi siempre estamos afectados por nuestro entorno porque somos afectados por el medio en el que estamos, generalmente un fluido como el aire. Para comprender cómo funcionan estos fluidos y poder optimizar nuestros diseños, tendremos que aprender sobre la mecánica de fluidos.
La mecánica de fluidos explica cómo se mueve el aire alrededor de un automóvil, cómo el colorante alimentario se mueve a través del agua creando patrones hermosos y cómo se comporta el barro movedizo. Todo esto parece valer la pena saberlo, ¿no crees?
Sistemas y su entorno
Hasta ahora hemos hablado de sistemas en comparación con su entorno. Hemos aprendido que la masa y la energía no se pueden crear ni destruir, pero se pueden convertir. Lo que esto significa para nosotros como ingenieros es que en el mundo real no podemos simplemente centrarnos en lo que está sucediendo dentro de nuestro sistema, necesitamos pensar también en el exterior. Eso es porque las máquinas, los edificios e incluso nuestros propios cuerpos están influenciados por su entorno.
El movimiento de los fluidos
Imagina que estamos diseñando un nuevo automóvil. Ya hemos aprendido mucho sobre los motores, así que probablemente tengamos una idea decente de lo que debería haber en el interior del automóvil. Pero, ¿qué hay del exterior del automóvil?
Cuando un automóvil se mueve, interactúa con el fluido que lo rodea, que en la mayoría de los casos es el aire. La interacción entre el automóvil y el aire puede afectarse mutuamente, y esto puede provocar lo que llamamos transferencia. La transferencia es cuando algo se mueve o se desplaza de un lugar a otro. Puede haber una transferencia de impulso, una transferencia de calor e incluso una transferencia de masa. Pero si estamos hablando de fluidos en movimiento, a menudo tendremos una transferencia de impulso, que se puede entender mejor con la ayuda de la mecánica de fluidos.
La mecánica de fluidos estudia cómo los fluidos responden a las fuerzas ejercidas sobre ellos. Entonces, ¿cómo exactamente se mueven los fluidos y cómo se mueve una partícula o cualquier otra cosa dentro de un fluido? Para responder a estas preguntas, necesitamos conocer el estrés, la tensión y la viscosidad.
Estrés y tensión
Supongamos que tenemos un fluido entre dos placas planas. Si moviéramos la placa inferior, ¿qué le sucedería al fluido? Bueno, en la parte superior e inferior, donde el fluido está en contacto con la superficie, las partículas individuales del fluido pasarán por algo llamado condición de no deslizamiento.
En la condición de no deslizamiento, un fluido en movimiento se detendrá por completo en una superficie sólida y asumirá una velocidad cero en relación con la superficie. Básicamente, las partículas del fluido que están tocando lo sólido se pegarán a su superficie, lo que significa que no se deslizarán.
Debido a esto, las partículas del fluido en contacto con la placa inferior se moverán con ella, mientras que las partículas del fluido en la parte superior se quedarán en su lugar con la placa estacionaria. Todo esto sucede debido al estrés, la fuerza aplicada sobre un área transversal de un objeto o sustancia. Si la fuerza es normal o perpendicular a la superficie del objeto, entonces tenemos un estrés normal. Si es paralelo, tenemos un estrés de corte. Pensaste que iba a decir estrés paralelo, ¿verdad? Podemos encontrar el estrés dividiendo la fuerza aplicada por el área transversal.
Una vez que el fluido está sometido a estrés, la medida en que se estira se llama tensión. En pocas palabras, la tensión es la deformación que el estrés causa en un sistema. Si la deformación hace que algo en un sistema se acorte o alargue, podemos encontrar la tensión dividiendo el cambio en longitud por la longitud inicial. Si la deformación es un cambio en el ángulo entre dos segmentos que antes eran perpendiculares entre sí, entonces tenemos una deformación por corte.
Viscosidad y flujo de fluidos
Además del estrés y la tensión, también tenemos que tener en cuenta la viscosidad. La viscosidad es básicamente una medida de la resistencia de un fluido al flujo y a menudo se conoce como la «espesura» de un fluido. Por ejemplo, el agua tiene una baja viscosidad ya que fluye con facilidad, mientras que la miel y otros fluidos pegajosos tienen una viscosidad mucho mayor. Algunos fluidos también se espesan cuando se someten a estrés, como cuando agitas agua mezclada con maicena, pero otros se vuelven más delgados cuando se someten a estrés, como el barro movedizo que es agua mezclada con mucha arena.
El gran sir Isaac Newton nos dio una forma de describir cómo se mueven los fluidos con su ley de la viscosidad. En pocas palabras, esta ley describe los fluidos newtonianos como aquellos con una viscosidad independiente del estrés. No importa cuánto estrés se aplique al fluido, su viscosidad nunca cambia.
Si bien ningún fluido real es perfectamente newtoniano, muchos fluidos como el aire y el agua se acercan lo suficiente como para que podamos considerarlos así. Los fluidos no newtonianos, por otro lado, no siguen la ley de la viscosidad, su viscosidad puede cambiar bajo estrés y, por lo tanto, también puede cambiar su tensión.
Un fluido no newtoniano realmente se espesará o se volverá más delgado si se le aplica una fuerza, lo cual es exactamente lo que sucede cuando te metes en el barro movedizo. La presión que ejerces al pisar hace que se vuelva menos viscoso y luego estás en problemas.
Flujo laminar y turbulento
Ahora tenemos el asunto de cómo se mueve un fluido dentro de otro fluido. Para entender eso, debemos recurrir al trabajo del ingeniero británico Osborne Reynolds en 1868. Poco después de graduarse de la universidad, Reynolds se convirtió en el primer profesor de ingeniería en el Owens College de Manchester. Pasó gran parte de su carrera estudiando la mecánica de fluidos, y una de sus contribuciones más importantes fue su trabajo sobre los patrones de flujo de fluidos.
En 1883, Reynolds realizó un experimento que reveló que hay dos tipos principales de flujo en una tubería: laminar y turbulento. Este experimento fue tan influyente que el dispositivo que utilizó se siguió utilizando hasta bien entrado el siglo XXI. En su experimento, Reynolds utilizó un fluido coloreado con la misma densidad que el agua e inyectó un chorro muy delgado en un tubo transparente grande por el que fluía agua.
Cuando inyectó el colorante en agua que se movía lentamente, el flujo del colorante se mantuvo en su lugar y su patrón en el centro del agua. A esto se le llama flujo laminar. Pero cuando Reynolds inyectó el colorante en agua que se movía rápidamente, el colorante se dispersó, se mezcló con el agua y la tiñó. A esto se le llama flujo turbulento. Esos fueron los dos tipos principales de flujo que encontró Reynolds, pero también tenemos algo llamado flujo de transición, que es una mezcla de flujo laminar y turbulento.
A menudo tiene turbulencia en el centro de la tubería y flujo laminar cerca de los bordes. El experimento de Reynolds le permitió determinar cuándo ocurriría la transición de flujo laminar a turbulento, dándonos la cantidad que ahora conocemos como número de Reynolds. Podemos encontrar el número de Reynolds para el flujo de un fluido en una tubería tomando el diámetro de la tubería y multiplicándolo por la velocidad del fluido y la densidad del fluido, y luego dividiendo todo eso por la viscosidad del fluido.
El valor que obtenemos para nuestro número de Reynolds será adimensional, lo que significa que no tiene unidades adjuntas, pero nos puede decir mucho sobre el movimiento de un fluido. Nos permite saber cuán predecible o caótico será nuestro flujo de fluido. Esto se debe a que podemos ver el número de Reynolds como una relación de las fuerzas inerciales a las fuerzas viscosas. Las fuerzas inerciales representan el movimiento cinético impulsor del fluido, lo que resulta en un movimiento caótico del flujo, como el movimiento giratorio de remolinos y vórtices.
Las fuerzas viscosas representan la resistencia al flujo y es más probable que proporcionen un movimiento lento y constante. Por lo tanto, cuanto más poderosas sean tus fuerzas viscosas, más lento y controlado será el movimiento del fluido. Cuanto más altas sean tus fuerzas inerciales, más caótico será tu flujo.
Por lo tanto, un número de Reynolds bajo representa un flujo laminar, mientras que uno alto representa un flujo turbulento en una tubería. Los flujos laminares suelen tener un número de Reynolds inferior a 2100, mientras que los flujos turbulentos suelen ser superiores a 4000. Un número de Reynolds entre estos dos valores representa típicamente un flujo de transición.
La importancia de la mecánica de fluidos
Comprender la mecánica de fluidos nos permite utilizar y aplicar equipos para el flujo de fluidos, como bombas y tuberías. También podemos aplicar este conocimiento para comprender mejor cómo se mueven las cosas dentro de un fluido, como ese nuevo automóvil que estamos diseñando.
Si estamos probando nuestro nuevo automóvil en un túnel de viento, querremos ver cómo se mueve el aire alrededor del automóvil y diseñar nuestro vehículo teniendo en cuenta el flujo. Cuanta más resistencia tenga nuestro automóvil debido al aire, más difícil será ir más rápido y más combustible necesitará para viajar a una velocidad determinada. Por eso es tan importante entender el flujo de fluidos. Recuerda, no solo importa el sistema, sino también el entorno.
