La dinámica de fluidos es «la rama de la ciencia aplicada que se ocupa del movimiento de líquidos y gases», según el American Heritage Dictionary. La dinámica de fluidos es una de las dos ramas de la mecánica de fluidos, que es el estudio de los fluidos y de cómo les afectan las fuerzas. (La otra rama es la estática de fluidos, que se ocupa de los fluidos en reposo.)
Los científicos de varios campos estudian la dinámica de fluidos. La dinámica de fluidos proporciona métodos para estudiar la evolución de las estrellas, las corrientes oceánicas, los patrones climáticos, la tectónica de placas e incluso la circulación sanguínea. Algunas aplicaciones tecnológicas importantes de la dinámica de fluidos son los motores de cohetes, los aerogeneradores, los oleoductos y los sistemas de aire acondicionado.
¿Qué es el flujo?
El movimiento de los líquidos y los gases se conoce generalmente como «flujo», un concepto que describe cómo se comportan los fluidos y cómo interactúan con el entorno que los rodea, por ejemplo, el agua que se mueve por un canal o una tubería, o sobre una superficie. El flujo puede ser constante o inestable. En sus notas de clase, «Lectures in Elementary Fluid Dynamics» (Universidad de Kentucky, 2009) J. M. McDonough, profesor de ingeniería de la Universidad de Kentucky, escribe: «Si todas las propiedades de un flujo son independientes del tiempo, entonces el flujo es estacionario; en caso contrario, es inestable». Es decir, los flujos estables no cambian con el tiempo. Un ejemplo de flujo estable sería el agua que fluye por una tubería a un ritmo constante. En cambio, una inundación o el agua que sale de una bomba manual antigua son ejemplos de flujo inestable.
El flujo también puede ser laminar o turbulento. Los flujos laminares son más suaves, mientras que los turbulentos son más caóticos. Un factor importante para determinar el estado del flujo de un fluido es su viscosidad, o grosor, donde una mayor viscosidad aumenta la tendencia del flujo a ser laminar. Patrick McMurtry, profesor de ingeniería de la Universidad de Utah, describe la diferencia en sus apuntes de clase en línea, «Observaciones sobre los flujos turbulentos» (Universidad de Utah, 2000), afirmando: «Por flujo laminar nos referimos generalmente a un movimiento fluido suave y estable, en el que cualquier perturbación inducida se amortigua debido a las fuerzas viscosas relativamente fuertes. En los flujos turbulentos, pueden actuar otras fuerzas que contrarrestan la acción de la viscosidad.»
El flujo laminar es deseable en muchas situaciones, como en los sistemas de drenaje o en las alas de los aviones, porque es más eficiente y se pierde menos energía. El flujo turbulento puede ser útil para hacer que diferentes fluidos se mezclen o para igualar la temperatura. Según McDonough, la mayoría de los flujos de interés son turbulentos; sin embargo, estos flujos pueden ser muy difíciles de predecir en detalle, y distinguir entre estos dos tipos de flujo es en gran medida intuitivo.
Un factor importante en el flujo de fluidos es el número de Reynolds (Re) del fluido, que recibe su nombre del científico del siglo XIX Osborne Reynolds, aunque fue descrito por primera vez en 1851 por el físico George Gabriel Stokes. McDonough da la definición de Re como «la relación entre las fuerzas inerciales y las viscosas». La fuerza de inercia es la resistencia del fluido al cambio de movimiento, y la fuerza viscosa es la cantidad de fricción debida a la viscosidad o al espesor del fluido. Nótese que Re no es sólo una propiedad del fluido; también incluye las condiciones de su flujo, como su velocidad y el tamaño y la forma del conducto o cualquier obstrucción.
A baja Re, el flujo tiende a ser suave, o laminar, mientras que a alta Re, el flujo tiende a ser turbulento, formando remolinos y vórtices. Re puede utilizarse para predecir cómo fluirá un gas o un líquido alrededor de un obstáculo en una corriente, como el agua alrededor de una pila de un puente o el viento sobre el ala de un avión. El número también puede utilizarse para predecir la velocidad a la que el flujo pasa de laminar a turbulento.
Flujo de líquidos
El estudio del flujo de líquidos se llama hidrodinámica. Aunque los líquidos incluyen todo tipo de sustancias, como el petróleo y las soluciones químicas, el líquido más común es, con mucho, el agua, y la mayoría de las aplicaciones de la hidrodinámica implican la gestión del flujo de este líquido. Esto incluye el control de inundaciones, el funcionamiento de los sistemas de agua y alcantarillado de las ciudades y la gestión de las vías navegables.
La hidrodinámica se ocupa principalmente del flujo de agua en tuberías o canales abiertos. Los apuntes de clase del profesor de geología John Southard de un curso en línea, «Introduction to Fluid Motions» (Massachusetts Institute of Technology, 2006), esbozan la principal diferencia entre el flujo en tuberías y el flujo en canales abiertos: «los flujos en conductos o canales cerrados, como las tuberías o los conductos de aire, están totalmente en contacto con límites rígidos», mientras que «los flujos en canales abiertos, en cambio, son aquellos cuyos límites no son totalmente un material sólido y rígido». Afirma que «los flujos de canal abierto importantes son los ríos, las corrientes de marea, los canales de riego o las láminas de agua que corren por la superficie del suelo después de una lluvia»
Debido a las diferencias en esos límites, diferentes fuerzas afectan a los dos tipos de flujos. Según Scott Post en su libro «Applied and Computational Fluid Mechanics» (Jones & Bartlett, 2009), «Mientras que los flujos en una tubería cerrada pueden ser impulsados por la presión o la gravedad, los flujos en canales abiertos son impulsados únicamente por la gravedad». La presión está determinada principalmente por la altura del fluido sobre el punto de medición. Por ejemplo, la mayoría de los sistemas de agua de las ciudades utilizan torres de agua para mantener una presión constante en el sistema. Esta diferencia de elevación se denomina cabeza hidrodinámica. También se puede hacer que el líquido en una tubería fluya más rápido o con mayor presión utilizando bombas mecánicas.
Flujo de gas
El flujo de gas tiene muchas similitudes con el flujo de líquido, pero también tiene algunas diferencias importantes. En primer lugar, el gas es compresible, mientras que los líquidos se consideran generalmente incompresibles. En «Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics» (Prentice-Hall, 2006), el autor P. Balachandran describe los fluidos compresibles diciendo: «Si la densidad del fluido cambia apreciablemente a lo largo del campo de flujo, el flujo puede ser tratado como un flujo compresible». En caso contrario, se considera que el fluido es incompresible. En segundo lugar, el flujo de gas apenas se ve afectado por la gravedad.
El gas más comúnmente encontrado en la vida cotidiana es el aire; por lo tanto, los científicos han prestado mucha atención a sus condiciones de flujo. El viento hace que el aire se mueva alrededor de los edificios y otras estructuras, y también se puede hacer que se mueva mediante bombas y ventiladores.
Un área de particular interés es el movimiento de objetos a través de la atmósfera. Esta rama de la dinámica de fluidos se llama aerodinámica, que es «la dinámica de los cuerpos que se mueven en relación con los gases, especialmente la interacción de los objetos en movimiento con la atmósfera», según el American Heritage Dictionary. Los problemas de este campo consisten en reducir la resistencia aerodinámica de las carrocerías de los automóviles, diseñar aviones y turbinas eólicas más eficientes y estudiar cómo vuelan los pájaros y los insectos.
Principio de Bernoulli
En general, el fluido que se mueve a mayor velocidad tiene menor presión que el que se mueve a menor velocidad. Este fenómeno fue descrito por primera vez por Daniel Bernoulli en 1738 en su libro «Hydrodynamica», y se conoce comúnmente como el principio de Bernoulli. Se puede aplicar para medir la velocidad de un líquido o gas que se mueve en una tubería o canal o sobre una superficie.
Este principio también es responsable de la sustentación en el ala de un avión, que es la razón por la que los aviones pueden volar. Como el ala es plana en la parte inferior y curva en la superior, el aire tiene que recorrer una distancia mayor por la superficie superior que por la inferior. Para ello, debe ir más rápido por la parte superior, lo que hace que su presión disminuya. Esto hace que el aire de mayor presión en la parte inferior se eleve en el ala.
Problemas en dinámica de fluidos
Los científicos a menudo tratan de visualizar el flujo utilizando figuras llamadas líneas de corriente, líneas de raya y líneas de trayectoria. McDonough define una línea de corriente como «una línea continua dentro de un fluido tal que la tangente en cada punto es la dirección del vector velocidad en ese punto.» En otras palabras, una línea de corriente muestra la dirección del flujo en cualquier punto concreto del mismo. Una línea de corriente, según McDonough, es «el lugar de todos los elementos del fluido que han pasado previamente por un punto determinado». Una línea de trayectoria (o trayectoria de partículas), escribe, es «la trayectoria de un elemento individual del fluido». Si el flujo no cambia con el tiempo, la línea de trayectoria será la misma que la línea de corriente. Sin embargo, en el caso de un flujo turbulento o inestable, estas líneas pueden ser muy diferentes.
La mayoría de los problemas en dinámica de fluidos son demasiado complejos para ser resueltos por cálculo directo. En estos casos, los problemas deben ser resueltos por métodos numéricos mediante simulaciones por ordenador. Esta área de estudio se denomina dinámica de fluidos numérica o computacional (CFD), que Southard define como «una rama de la ciencia basada en la informática que proporciona predicciones numéricas de los flujos de fluidos.» Sin embargo, como el flujo turbulento tiende a ser no lineal y caótico, hay que tener especial cuidado al establecer las reglas y las condiciones iniciales de estas simulaciones. Pequeños cambios al principio pueden dar lugar a grandes diferencias en los resultados.
La precisión de las simulaciones puede mejorarse dividiendo el volumen en regiones más pequeñas y utilizando pasos de tiempo más pequeños, pero esto aumenta el tiempo de computación. Por esta razón, el CFD debe avanzar a medida que aumenta la potencia de cálculo.
Jim Lucas es un escritor y editor independiente especializado en física, astronomía e ingeniería. Es director general de Lucas Technologies.