Comprender qué es la dinámica de fluidos

La dinámica de fluidos es el estudio del movimiento de fluidos, incluidas sus interacciones cuando dos fluidos entran en contacto entre sí. En este contexto, el término "fluido" se refiere a líquido o gases. Es un enfoque macroscópico y estadístico para analizar estas interacciones a gran escala y ver los fluidos. como un continuo de materia y generalmente ignorando el hecho de que el líquido o el gas está compuesto de individuos átomos

La dinámica de fluidos es una de las dos ramas principales de mecánica de fluidos, siendo la otra rama estática fluida, El estudio de fluidos en reposo. (Quizás no sea sorprendente, la estática de fluidos puede considerarse como un poco menos emocionante la mayor parte del tiempo que la dinámica de fluidos).

Cada disciplina involucra conceptos que son cruciales para entender cómo funciona. Estos son algunos de los principales que encontrará cuando intente comprender la dinámica de fluidos.

Los conceptos de fluidos que se aplican en la estática de fluidos también entran en juego cuando se estudia el fluido que está en movimiento. Casi el primer concepto en mecánica de fluidos es el de flotabilidad, descubierto en antigua Grecia por Arquímedes.

A medida que fluyen los fluidos, el densidad y presión de los fluidos también son cruciales para comprender cómo interactuarán. los viscosidad determina la resistencia al cambio del líquido, por lo que también es esencial para estudiar el movimiento del líquido. Estas son algunas de las variables que surgen en estos análisis:

• Viscosidad a granel: μ
• Densidad: ρ
• Viscosidad cinemática: ν = μ / ρ

Dado que la dinámica de fluidos implica el estudio del movimiento de los fluidos, uno de los primeros conceptos que debe entenderse es cómo los físicos cuantifican ese movimiento. El término que usan los físicos para describir las propiedades físicas del movimiento del líquido es fluir. Flow describe una amplia gama de movimientos de fluidos, como soplar por el aire, fluir a través de una tubería o correr a lo largo de una superficie. El flujo de un fluido se clasifica en una variedad de formas diferentes, en función de las diversas propiedades del flujo.

Si el movimiento del fluido no cambia con el tiempo, se considera un flujo constante. Esto está determinado por una situación en la que todas las propiedades del flujo permanecen constantes con respecto al tiempo o alternativamente se puede hablar diciendo que las derivadas temporales del campo de flujo desaparecen. (Consulte cálculo para obtener más información sobre la comprensión de derivados).

UN flujo en estado estacionario es aún menos dependiente del tiempo porque todas las propiedades del fluido (no solo las propiedades del flujo) permanecen constantes en cada punto dentro del fluido. Entonces, si tuvo un flujo constante, pero las propiedades del fluido en sí mismo cambiaron en algún momento (posiblemente debido a una barrera que causa ondas dependientes del tiempo en algunas partes del fluido), entonces tendría un flujo constante que es no Un flujo en estado estacionario.

Sin embargo, todos los flujos de estado estacionario son ejemplos de flujos estables. Una corriente que fluye a una velocidad constante a través de una tubería recta sería un ejemplo de flujo en estado estable (y también un flujo constante).

Si el flujo en sí tiene propiedades que cambian con el tiempo, se llama flujo inestable o un flujo transitorio. La lluvia que fluye hacia una canaleta durante una tormenta es un ejemplo de flujo inestable.

Como regla general, los flujos constantes facilitan el tratamiento de los problemas que los flujos inestables, que es lo que cabría esperar dado que Los cambios en el flujo que dependen del tiempo no tienen que tenerse en cuenta, y las cosas que cambian con el tiempo generalmente harán que las cosas sean más Complicado.

Se dice que un flujo suave de líquido tiene flujo laminar. Se dice que el flujo que contiene un movimiento no lineal aparentemente caótico tiene flujo turbulento. Por definición, un flujo turbulento es un tipo de flujo inestable.

Ambos tipos de flujos pueden contener remolinos, vórtices y varios tipos de recirculación, aunque cuantos más comportamientos existan, más probable es que el flujo se clasifique como turbulento.

La distinción entre si un flujo es laminar o turbulento generalmente se relaciona con el Número de Reynolds (Re). El número de Reynolds fue calculado por primera vez en 1951 por el físico George Gabriel Stokes, pero lleva el nombre del científico del siglo XIX Osborne Reynolds.

El número de Reynolds depende no solo de los detalles específicos del fluido en sí, sino también de las condiciones de su flujo, derivado como la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas de la siguiente manera:

Re = Fuerza inercial / Fuerzas viscosas

Re = (ρVdV/dx) / (μ re²V / dx²)

El término dV / dx es el gradiente de la velocidad (o primera derivada de la velocidad), que es proporcional a la velocidad (V) dividido por L, que representa una escala de longitud, lo que resulta en dV / dx = V / L. La segunda derivada es tal que d²V / dx² = V / L². Sustituyendo estos en la primera y segunda derivada resulta en:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

También puede dividir por la escala de longitud L, lo que resulta en un Número de Reynolds por pie, designado como Re f = V / ν.

Un número bajo de Reynolds indica un flujo laminar suave. Un número alto de Reynolds indica un flujo que demostrará remolinos y vórtices y generalmente será más turbulento.

Flujo de tubería representa un flujo que está en contacto con límites rígidos en todos los lados, como el agua que se mueve a través de una tubería (de ahí el nombre de "flujo de tubería") o el aire que se mueve a través de un conducto de aire.

Flujo de canal abierto describe el flujo en otras situaciones donde hay al menos una superficie libre que no está en contacto con un límite rígido. (En términos técnicos, la superficie libre tiene una tensión paralela 0). Los casos de flujo de canal abierto incluyen agua que se mueve a través de un río, inundaciones, agua que fluye durante la lluvia, corrientes de marea y canales de riego. En estos casos, la superficie del agua que fluye, donde el agua está en contacto con el aire, representa la "superficie libre" del flujo.

Los flujos en una tubería son impulsados ​​por presión o por gravedad, pero los flujos en situaciones de canal abierto son impulsados ​​únicamente por la gravedad. Los sistemas de agua de la ciudad a menudo usan torres de agua para aprovechar esto, de modo que la diferencia de elevación del agua en la torre (el cabeza hidrodinámica) crea un diferencial de presión, que luego se ajusta con bombas mecánicas para llevar agua a los lugares del sistema donde se necesitan.

Los gases generalmente se tratan como fluidos compresibles porque se puede reducir el volumen que los contiene. Un conducto de aire puede reducirse a la mitad del tamaño y aún transportar la misma cantidad de gas a la misma velocidad. Aun cuando el gas fluya a través del conducto de aire, algunas regiones tendrán densidades más altas que otras regiones.

Como regla general, ser incompresible significa que la densidad de cualquier región del fluido no cambia en función del tiempo a medida que se mueve a través del flujo. Los líquidos también se pueden comprimir, por supuesto, pero hay una mayor limitación en la cantidad de compresión que se puede hacer. Por esta razón, los líquidos generalmente se modelan como si fueran incompresibles.

El principio de Bernoulli es otro elemento clave de la dinámica de fluidos, publicado en el libro de Daniel Bernoulli de 1738 Hidrodinámica. En pocas palabras, relaciona el aumento de la velocidad en un líquido con una disminución de la presión o la energía potencial. Para fluidos incompresibles, esto se puede describir usando lo que se conoce como Ecuación de Bernoulli:

(v²/2) + gz + pag/ρ = constante

Dónde sol es la aceleración debida a la gravedad, ρ es la presión en todo el líquido, v es la velocidad de flujo del fluido en un punto dado, z es la elevación en ese punto, y pag es la presión en ese punto. Como esto es constante dentro de un fluido, esto significa que estas ecuaciones pueden relacionar dos puntos, 1 y 2, con la siguiente ecuación:

(v₁²/2) + gz₁ + pag₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + pag₂/ρ

La relación entre la presión y la energía potencial de un líquido basada en la elevación también está relacionada a través de la Ley de Pascal.

Dos tercios de la superficie de la Tierra son agua y el planeta está rodeado de capas de atmósfera, por lo que estamos literalmente rodeados en todo momento por fluidos... Casi siempre en movimiento.

Si lo pensamos un poco, esto hace que sea bastante obvio que habría muchas interacciones de fluidos en movimiento para que los estudiemos y comprendamos científicamente. Ahí es donde entra en juego la dinámica de fluidos, por supuesto, por lo que no hay escasez de campos que apliquen conceptos de dinámica de fluidos.

Esta lista no es exhaustiva, pero proporciona una buena visión general de las formas en que se muestra la dinámica de fluidos en el estudio de la física en una gama de especializaciones:

• Oceanografía, Meteorología y Ciencias del Clima - Dado que la atmósfera se modela como fluidos, el estudio de la ciencia atmosférica y corrientes oceánicas, crucial para comprender y predecir los patrones climáticos y las tendencias climáticas, depende en gran medida de la dinámica de fluidos.
• Aeronáutica - La física de la dinámica de fluidos implica estudiar el flujo de aire para crear resistencia y elevación, lo que a su vez genera las fuerzas que permiten un vuelo más pesado que el aire.
• Geología y geofísica - Placas tectónicas implica estudiar el movimiento de la materia calentada dentro del núcleo líquido de la Tierra.
• Hematología y Hemodinámica -El estudio biológico de la sangre incluye el estudio de su circulación a través de los vasos sanguíneos, y la circulación sanguínea se puede modelar utilizando los métodos de dinámica de fluidos.
• Física de plasma - Aunque ni líquido ni gas, plasma a menudo se comporta de manera similar a los fluidos, por lo que también se puede modelar usando dinámica de fluidos.
• Astrofísica y Cosmología - El proceso de evolución estelar implica el cambio de estrellas a lo largo del tiempo, lo que se puede entender al estudiar cómo el plasma que compone las estrellas fluye e interactúa dentro de la estrella a lo largo del tiempo.
• Análisis de tráfico - Quizás una de las aplicaciones más sorprendentes de la dinámica de fluidos es comprender el movimiento del tráfico, tanto vehicular como peatonal. En áreas donde el tráfico es lo suficientemente denso, todo el tráfico puede tratarse como una entidad única que se comporta de manera más o menos similar al flujo de un fluido.

La dinámica de fluidos también se conoce a veces como hidrodinámica, aunque este es más un término histórico. A lo largo del siglo XX, la frase "dinámica de fluidos" se hizo mucho más común.

Técnicamente, sería más apropiado decir que la hidrodinámica es cuando la dinámica de fluidos se aplica a líquidos en movimiento y aerodinámica es cuando la dinámica de fluidos se aplica a gases en movimiento.

Sin embargo, en la práctica, temas especializados como la estabilidad hidrodinámica y la magnetohidrodinámica utilizan el prefijo "hidro-" incluso cuando aplican esos conceptos al movimiento de los gases.