factor de friccion
Páginas: 29 (7081 palabras)
Publicado: 26 de octubre de 2014
El enigma
de
Osborne Reynolds
Aunque se sigue desconociendo por qué un fluido conducido por una tubería
se vuelve turbulento, se ha dado un paso importante hacia la resolución
del problema, formulado hace ya más de 125 años
Alvaro Meseguer y Fernando Mellibovsky
E
CONCEPTOS BASICOS
Q
Cuando se va aumentando
el caudal que corre por
una tubería, llega un
momento en que elfluido
se vuelve turbulento.
Q
Las ecuaciones de Navier-Stokes rigen el movimiento de los fluidos.
Sin embargo, no se ha
podido aún explicar
con ellas el tránsito a la
turbulencia en una cañería
ni la condición numérica
para su surgimiento,
descubierta por Osborne
Reynolds en 1883.
Q
En los últimos años,
nuevos procedimientos
de cálculo se están acercando a la resolución
delproblema.
60
n 1883, Osborne Reynolds, matemático
y profesor de ingeniería de la Universidad de Manchester, dio a conocer su
estudio experimental y teórico de la transición
a la turbulencia en fluidos conducidos por el
interior de tuberías. Aunque su artículo supuso un inmenso salto cualitativo, más de siglo
y cuarto después todavía se desconocen los
mecanismos físicos del fenómeno. Algunasde
las cuestiones fundamentales sobre la transición han empezado a dilucidarse hace apenas 4 o 5 años, gracias a la colaboración de
diferentes grupos de investigación alemanes,
británicos y españoles. De ello vamos a hablar
en este artículo.
La turbulencia es uno de los problemas
más complejos de la física clásica. Determinar
las causas por las cuales el movimiento de un
fluido (agua o aire,por ejemplo) se torna turbulento e impredecible es de vital importancia
en ingeniería aeronáutica o en meteorología.
Un ejemplo familiar de las consecuencias de
la turbulencia lo encontramos en los aviones.
Dependiendo de las condiciones climatológicas, el fuerte viento que rodea el fuselaje del
avión se vuelve errático y violento.
Otro ejemplo cotidiano de transición a la
turbulencia noslo dan los grifos domésticos.
Si los abrimos con cuidado, para que el caudal de salida sea pequeño, el chorro de agua
tendrá un perfil suave y estacionario. Es decir,
si filmáramos el chorro y después reprodujé-
ramos la película, no podríamos distinguir si
el vídeo está parado o en marcha. Es lo que
caracteriza a un flujo estacionario laminar: el
agua fluye por la tubería hasta el grifo,pero
siempre de la misma forma. Sin embargo, si
vamos abriendo poco a poco el grifo para que
aumente el caudal podremos observar que el
chorro de salida empieza a experimentar oscilaciones erráticas e impredecibles. En algunos
casos saldrá a borbotones, sin orden alguno, y
la tubería vibrará o hará ruido. Ese flujo del
chorro es claramente no estacionario y turbulento: el agua fluye por latubería de formas
diferentes, impredecibles, en el transcurso del
tiempo.
¿Cuál es el caudal máximo del grifo en condiciones de laminaridad? Es decir, ¿hasta dónde
podemos abrir el grifo sin que el chorro se
vuelva turbulento? Este es el que hoy llamamos
problema de Reynolds. A principios de los años
ochenta del siglo xix, Reynolds realizó varios
experimentos con tuberías de sección circular
dediferentes diámetros. Las sometió a la misma
presión e hizo pasar agua corriente por ellas.
Ya sabía que, bajo condiciones de laminaridad,
la velocidad del agua era máxima en el centro
de la tubería y nula en las paredes, debido a la
viscosidad del fluido. En concreto, la velocidad
del agua a una distancia r del centro de la
tubería de radio a tiene un perfil parabólico
(es proporcional albinomio a2 – r2). A este
régimen se le llama flujo de Hagen-Poiseuille,
INVESTIGACION Y CIENCIA, marzo, 2010
NASA/GSFC/JPL, MISR TEAM (vórtices en Isla Guadalupe); BOB CAHALAN, NASA GSFC (Isla de Juan Fernández)
en honor de Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen,
físico e ingeniero alemán, y a Jean Louis Marie
Poiseuille, fisiólogo francés que estudió el flujo
de la sangre en las arterias...
de
Osborne Reynolds
Aunque se sigue desconociendo por qué un fluido conducido por una tubería
se vuelve turbulento, se ha dado un paso importante hacia la resolución
del problema, formulado hace ya más de 125 años
Alvaro Meseguer y Fernando Mellibovsky
E
CONCEPTOS BASICOS
Q
Cuando se va aumentando
el caudal que corre por
una tubería, llega un
momento en que elfluido
se vuelve turbulento.
Q
Las ecuaciones de Navier-Stokes rigen el movimiento de los fluidos.
Sin embargo, no se ha
podido aún explicar
con ellas el tránsito a la
turbulencia en una cañería
ni la condición numérica
para su surgimiento,
descubierta por Osborne
Reynolds en 1883.
Q
En los últimos años,
nuevos procedimientos
de cálculo se están acercando a la resolución
delproblema.
60
n 1883, Osborne Reynolds, matemático
y profesor de ingeniería de la Universidad de Manchester, dio a conocer su
estudio experimental y teórico de la transición
a la turbulencia en fluidos conducidos por el
interior de tuberías. Aunque su artículo supuso un inmenso salto cualitativo, más de siglo
y cuarto después todavía se desconocen los
mecanismos físicos del fenómeno. Algunasde
las cuestiones fundamentales sobre la transición han empezado a dilucidarse hace apenas 4 o 5 años, gracias a la colaboración de
diferentes grupos de investigación alemanes,
británicos y españoles. De ello vamos a hablar
en este artículo.
La turbulencia es uno de los problemas
más complejos de la física clásica. Determinar
las causas por las cuales el movimiento de un
fluido (agua o aire,por ejemplo) se torna turbulento e impredecible es de vital importancia
en ingeniería aeronáutica o en meteorología.
Un ejemplo familiar de las consecuencias de
la turbulencia lo encontramos en los aviones.
Dependiendo de las condiciones climatológicas, el fuerte viento que rodea el fuselaje del
avión se vuelve errático y violento.
Otro ejemplo cotidiano de transición a la
turbulencia noslo dan los grifos domésticos.
Si los abrimos con cuidado, para que el caudal de salida sea pequeño, el chorro de agua
tendrá un perfil suave y estacionario. Es decir,
si filmáramos el chorro y después reprodujé-
ramos la película, no podríamos distinguir si
el vídeo está parado o en marcha. Es lo que
caracteriza a un flujo estacionario laminar: el
agua fluye por la tubería hasta el grifo,pero
siempre de la misma forma. Sin embargo, si
vamos abriendo poco a poco el grifo para que
aumente el caudal podremos observar que el
chorro de salida empieza a experimentar oscilaciones erráticas e impredecibles. En algunos
casos saldrá a borbotones, sin orden alguno, y
la tubería vibrará o hará ruido. Ese flujo del
chorro es claramente no estacionario y turbulento: el agua fluye por latubería de formas
diferentes, impredecibles, en el transcurso del
tiempo.
¿Cuál es el caudal máximo del grifo en condiciones de laminaridad? Es decir, ¿hasta dónde
podemos abrir el grifo sin que el chorro se
vuelva turbulento? Este es el que hoy llamamos
problema de Reynolds. A principios de los años
ochenta del siglo xix, Reynolds realizó varios
experimentos con tuberías de sección circular
dediferentes diámetros. Las sometió a la misma
presión e hizo pasar agua corriente por ellas.
Ya sabía que, bajo condiciones de laminaridad,
la velocidad del agua era máxima en el centro
de la tubería y nula en las paredes, debido a la
viscosidad del fluido. En concreto, la velocidad
del agua a una distancia r del centro de la
tubería de radio a tiene un perfil parabólico
(es proporcional albinomio a2 – r2). A este
régimen se le llama flujo de Hagen-Poiseuille,
INVESTIGACION Y CIENCIA, marzo, 2010
NASA/GSFC/JPL, MISR TEAM (vórtices en Isla Guadalupe); BOB CAHALAN, NASA GSFC (Isla de Juan Fernández)
en honor de Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen,
físico e ingeniero alemán, y a Jean Louis Marie
Poiseuille, fisiólogo francés que estudió el flujo
de la sangre en las arterias...
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