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Algunos aspectos de los
fluidos
ESTADOS DE LA MATERIA. Generalmente se clasifica de acuerdo a
algunos de los cuatro estados en que se encuentra: sólido, líquido,
gaseoso y plasma.
Un sólido tiene forma y volumen definidos.
Un líquido tiene un volumen definido pero no una forma definida.
Un gas no tiene ni volumen ni forma definidos.
El plasma consiste en núcleos atómicos y electrones libres, es un gas
ionizado con igual número de cargas positivas y negativas, sólo existe a
altas temperaturas (> 2000° K); a pesar de ser poco común en la vida
cotidiana, es el estado predominante de la materia en el universo. El
Sol, las estrellas, el gas de la luz en un tubo fluorescente están en
estado de plasma.
La materia puede comportarse como un sólido, como un fluido u otro
estado, por ejemplo plásticos, asfalto, grasa, miel, masilla, etc.
FLUIDO: Es todo material que no sea sólido y que puede
“fluir”. Son fluidos los líquidos y los gases; aún con sus
grandes diferencias su comportamiento como fluido se
describe son las mismas ecuaciones básicas. La diferencia
entre uno u otro está en su compresibilidad. Un fluido:
- Cambia su forma según el envase.
- Se deforma continuamente bajo fuerzas aplicadas.
- La atmósfera y el océano son fluidos.
- El 97% de nuestro cuerpo es fluido, el manto de la tierra,
etc.
Para cualquier sustancia el estado líquido existe a una
temperatura mayor que la del estado sólido, tiene mayor
agitación térmica y las fuerzas moleculares no son suficientes
para mantener a las moléculas en posiciones fijas y se pueden
mover en el líquido. Lo común que tiene con los sólidos es que
si actúan fuerzas externas de compresión, surgen grandes
fuerzas atómicas que se resisten a la compresión del líquido.
En el estado gaseoso las moléculas tienen un continuo
movimiento al azar y ejercen fuerzas muy débiles unas con
otras; las separaciones promedios entre las moléculas de un
gas son mucho más grandes que las dimensiones de las
mismas.
El estudio de la dinámica de fluidos es similar al clásico de la dinámica
de sólidos usando las ecuaciones desde hace 150 años, en que se
estudia el movimiento bajo la acción de fuerzas aplicadas. Se aplican
los mismos
principios:
1. - Conservación de la masa
2. - Conservación del momentum
3. - Conservación de la energía termodinámica
Las ecuaciones de movimiento son dinámicas y las ecuaciones de
continuidad cinemática.
Cinemática: Describe el movimiento de un cuerpo sin considerar las
causas que lo producen.
Dinámica: Estudia el movimiento teniendo en cuenta las causas que la
producen, y las causas son las fuerzas.
Composición de la atmósfera.
La atmósfera es un fluido compuesto por varios gases, además
de aditivos como líquidos y sólidos en suspensión. Este fluido
tiene ciertas propiedades físicas, llamado su estado, que
describe su movimiento, su temperatura y su densidad. Su más
importante característica es que varia su estado físico en el
tiempo y en el espacio. Esas variaciones indican
transformaciones de energía y flujos.
En la atmósfera coexisten partículas en los tres estados;
algunos son fijos y otros ocasionales. Estudios cualitativos de la
composición de la atmósfera se refieren a los gases que la
forman. Las observaciones han probado que, salvo las pequeñas
variaciones de los gases variables, la composición de la
atmósfera seca es aproximadamente constante en todo el
globo, hasta una altura de cerca de 30 Km sobre el nivel del
mar; el aire esta perfectamente mezclado. Son excepciones el
bióxido de carbono que varía
entre 0.02 - 0.04% y el vapor del agua que es muy variable,
depende fuertemente de la temperatura y puede variar entre 0
y 4%; su estudio abarca un capítulo entero de la meteorología
referido a la humedad. Según datos aceptados por la
Organización Meteorológica Mundial, tomados sobre la
hidrosfera, la proporción en volumen de los gases
constituyentes en la troposfera y estratosfera se muestra en
la tabla Nº 1:
Tipos de Flujos
Se distinguen dos tipos principales:
Laminar: El flujo es ordenado y predecible, el movimiento se
produce en capas o láminas, las soluciones matemáticas son
factibles. En este flujo las partículas se mueven en
trayectorias independientes de las partículas de capas
adyacentes.
Turbulento: El movimiento de las partículas individuales es
aleatorio e impredecible. En el que comúnmente se produce
(Figuras).
Flujo no viscoso: Es aquel para el cual la fuerza de fricción
interna es despreciable en comparación con otras fuerzas. Un
fluido que presenta fricción interna muestra una resistencia a
su movimiento.
- Viscosidad: Es una medida de la resistencia del fluido a su
movimiento.
- Existen los fluidos viscosos, aquí la fricción interna es
importante; la viscosidad caracteriza la tensión interna en un
fluido.
En la figura se muestra el comportamiento de fluidos comunes:
Masas de sedimento
Transporte
El transporte de sedimento es el acarreo de partículas
de un lugar a otro.
Los agentes de transporte son:
►Agua
►Viento
► Hielo
►
La transportación y depositación de los sedimentos están
gobernados por las leyes físicas. Esto incluye el trabajo, que se
trasforma en energía de los agentes como el viento, agua y hielo.
Reynolds (1874) estudió las características de flujo de
los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido
que fluía por una tubería. A velocidades bajas del
líquido, el trazador se mueve linealmente en la
dirección axial. Sin embargo, a mayores velocidades,
las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el
trazador se dispersa rápidamente después de su
inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina
Laminar y el flujo errático obtenido a mayores
velocidades del líquido se denomina Turbulento
Por lo tanto, hay que considerar a una partícula
sedimentaria que se mueve a través de un fluido
(aire o agua). El aspecto físico de este fenómeno
es expresado por la ecuación de Reynolds, la cual
se deriva de un coeficiente dimensional que es el
número de Reynolds
Re=(Ud&)/v
►
►
►
►
U= velocidad de la partícula
d= diámetro de la partícula
&= densidad de la partícula
v= viscosidad del fluido
Flujo Laminar, Re<1.0
Flujo Turbulento, Re>1.0
El segundo coeficiente de la dinámica del fluido es el número de
Froude. Esto es esencialmente el radio entre la fuerza requerida
para el movimiento de las partículas y la fuerza de gravedad.
F= U/ gL
U= velocidad de la partícula
L= fuerza de la inercia
g = aceleración de la gravedad
La esfera se mueve bajo la acción de las siguientes fuerzas: el
peso, el empuje (se supone que el cuerpo está completamente
sumergido en el seno de un fluido), y una fuerza de rozamiento
que es proporcional a la velocidad de la esfera (suponemos que el
flujo se mantiene en régimen laminar).
El peso es el producto de la masa por la aceleración de la
gravedad g. La masa es el producto de la densidad del material
ρe por el volumen de la esfera de radio R.
De acuerdo con el principio de Arquímedes, el empuje es
igual al producto de la densidad del fluido ρf, por el volumen
del cuerpo sumergido, y por la aceleración de la gravedad.
La fuerza de rozamiento es proporcional a la
velocidad, y su expresión se denomina ley de
Stokes
donde h es la viscosidad del fluido
.
La ecuación del movimiento será, por tanto
La velocidad límite, se alcanza cuando la aceleración sea cero, es
decir, cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre la
esfera es cero
Despejamos la velocidad límite vl
La ecuación del movimiento es
donde F es la diferencia entre el peso y el empuje F=mg-E, y k=6πRh
Integramos la ecuación del movimiento para obtener la velocidad de la
esfera en función del tiempo.
Obtenemos
Esta ecuación nos dice que se alcanza la velocidad límite vl después
de un tiempo teóricamente infinito. Si representamos v en función
del tiempo t la gráfica tienen una asíntota horizontal en v=vl.
Esencialmente las partículas pueden moverse a través de un
fluido (líquido o gas) en tres formas diferentes.
Es de gran importancia el conocer la velocidad crítica del flujo, ya
que a partir de dicha velocidad se puede decir si el sedimento se
encuentra en erosión transporte o depositado. Esto se puede
observar en la siguiente gráfica, realizada por Hjulstrom, (1956
Turbulencia en meteorología
►
►
►
►
►
Una turbulencia atmosférica es una agitación de la atmósfera, que
se aprecia en una capa, próxima al suelo y de espesor variable; se
caracteriza por un cambio repentino de dirección e intensidad del
viento en una corta distancia en sentido vertical. Frecuentemente se
clasifican las turbulencias según la causa que las origina:
Turbulencia mecánica, ocurre cuando obstáculos tales como
edificación, terreno irregular o árboles intervienen con el flujo
normal del viento.
Turbulencia convectiva, denominada también turbulencia termal, es
un fenómeno típico de las horas diurnas, con buen tiempo; se forma
por el paso de aire frío sobre las masas de aire caliente o cuando por
efecto de radiación solar en el suelo calienta las masas de aire.
Turbulencia frontal, se genera al paso de un frente frío que se
desplaza rápidamente, ocasiona ráfagas de hasta 1000'/m y se le
conoce también como ráfagas pre-frontales.
Algunos tipos comunes de turbulencia son:
Estela turbulenta, se produce por la diferencia entre el intradós y el
extradós del perfil alar formando dicho fenómeno. (ejem. Imagen de la
aeronave mostrada en la figura de arriba)
Turbulencia de aire claro o sus siglas en ingles CAT (Clear Air Turbulence):
Tipo de turbulencia severa el cual ocurre a partir de los 15.000 pies; sus
características son: sin indicaciones físicas como polvo partículas etc.,
ocurre por la interacción de diferentes capas de aire con diferentes
velocidades asociadas a corrientes convectivas se asocian con unos tipos de
vientos llamados jetstream.
Ondas de montaña es causado principalmente por turbulencia orográfica el
aire frente un flujo laminar del lado de barlovento (antes de la montaña) al
lado de sotavento (después de la montaña)el cual se forma turbulento
crenado este tipo de ondas; este tipo de fenómeno requiere vientos
mayores a los 20 nudos para que se forme.
Según la intensidad de la turbulencia se hace la siguiente clasificación:
Tipo Velocidad Carga Variación
Ligera 5 a 14.9 nudos 0.20g - 0.49g 300' - 1199'
Moderada 15 a 24.9nudos 0.5g - 0.99g 1200' - 2099'
Severa > a 25nudos 1.0g - 1.99g 2100' - 2999'
Extrema -------------- > 2.0 > a 3000'