La fricción de fluidos ocurre entre capas de fluidos que se mueven entre sí. Esta resistencia interna al flujo se denomina viscosidad o arrastre viscoso o fricción fluida. En términos normales, la viscosidad de un fluido se describe como su «espesor» del fluido. Así, el agua es “diluida”, teniendo una viscosidad más baja, mientras que la miel es “espesa”, teniendo una viscosidad más alta. Cuanto menos viscoso es el fluido, mayor es su facilidad de deformación o movimiento.
Todos los fluidos reales (excepto los superfluidos) ofrecen cierta resistencia al cizallamiento y, por lo tanto, son viscosos. Aunque el término «fluido» incluye tanto la fase líquida como la gaseosa, en el uso común, «fluido» a menudo se usa como sinónimo de «líquido». Los líquidos y los gases se denominan fluidos porque se les puede hacer fluir o moverse. En cualquier fluido, las propias moléculas están en constante movimiento aleatorio, chocando entre sí y con las paredes de cualquier recipiente.
El movimiento de las moléculas está gobernado por dos tipos de fuerzas que están presentes entre las moléculas de la sustancia misma y entre la sustancia y el otro material en contacto.
Los siguientes son los dos tipos de fuerzas entre las moléculas:
1. Fuerzas de cohesión: Las fuerzas de cohesión son fuerzas de atracción que existen entre moléculas de una misma sustancia. Entonces, las fuerzas cohesivas son la causa principal de la viscosidad.
2. Fuerzas adhesivas: estas son fuerzas atractivas entre moléculas diferentes.
Un objeto viaja en un fluido, pierde su energía para vencer la fricción del fluido. La forma de un objeto juega un papel importante en el aumento o disminución de la fricción del fluido cuando viaja con él.
- Los barcos y embarcaciones tienen una forma particular que les permite resistir la fricción de los fluidos.
- Las aves y los aviones tienen una forma específica que les permite volar en el aire.
- Los peces también tienen una forma específica, como una cola y aletas, que les permiten nadar continuamente en el agua e incluso evitar la pérdida de energía debido a la fricción del fluido.
- Los diseños de los vehículos están hechos de tal manera que encuentren la menor fricción fluida mientras viajan para garantizar un uso y movimiento adecuados de los mismos.
- Para evitar la fricción de fluidos, los trajes de baño están diseñados en consecuencia para un flujo más suave.
Leyes de fricción de fluidos
Las leyes del rozamiento de los fluidos son:
Primera ley: El rozamiento del fluido aumenta con el aumento del área de contacto entre la superficie y el fluido.
Segunda ley: La fricción del fluido aumenta con el aumento del gradiente de velocidad de la sustancia.
Tercera ley: El fluido que tiene un mayor coeficiente de fricción del fluido o eta (η) tiene un mayor valor de fuerza de fricción del fluido.
Las reglas son diferentes para diferentes lubricantes. Es indirectamente proporcional a la temperatura de los lubricantes. La fórmula para la fricción del fluido se puede derivar mediante el siguiente experimento:
En el experimento dado se puede demostrar que la fuerza Ϝ necesaria para mover la placa superior en la figura es directamente proporcional al área Α, la diferencia de velocidad entre las capas ∆ν e inversamente proporcional al espaciado de las placas ∆y.
Es decir: Ϝ∽Α y Ϝ∽∆ν y Ϝ∽1∕∆y
Esto da la ecuación Ϝ=η Α ∆ν∕∆y
Fricción de fluidos
Factores que afectan la fricción del fluido
La cantidad de fuerza de fricción ejercida por un fluido sobre un objeto depende de lo siguiente:
1. Naturaleza del fluido
Cuanto más delgado sea el fluido, menor será la fricción del fluido y viceversa. Los diferentes tipos de fluidos ofrecen diferentes grados de resistencia o el arrastre viscoso del objeto que fluye a través de él. Por ejemplo, un objeto que se mueve en la miel experimenta una fuerza viscosa mucho mayor que cuando se mueve en el agua, ya que la densidad de la miel es mucho mayor que la densidad del agua y, por lo tanto, ofrece una mayor resistencia al flujo del objeto.
2. La viscosidad del fluido
La viscosidad del fluido juega un papel importante en la determinación de la velocidad del objeto que fluye a través de él. Cuanto más viscoso es el fluido, más denso es y, por lo tanto, el movimiento de cualquier material en su interior está restringido o experimenta resistencia a su movimiento. Cuanto más denso es el líquido, más arrastre viscoso crea.
3. La forma del cuerpo
Otras figuras sienten más arrastre que el cuerpo con una forma aerodinámica que comienza y termina en puntas como la forma de un pez. Las formas de los vehículos están diseñadas para reducir la superficie de contacto durante el movimiento. Desempeña un papel importante en el flujo más suave ya sea en líquido o en gases. La forma del cuerpo tiene que estar de acuerdo con el medio en el que fluye o se mueve o de lo contrario experimenta una gran resistencia a su movimiento que hace que la tarea requiera mucho tiempo. Por lo tanto, para reducir esto, la mayoría de los cuerpos tienen una forma aerodinámica. Esto asegura que al principio y al final la superficie de contacto sea mínima y por lo tanto la fricción del fluido.
4. La temperatura
La fricción fluida de todos los gases aumenta con el aumento de la temperatura, ya que la fricción fluida de un gas es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. (Este resultado se obtiene de la teoría cinética de los gases).
La fricción fluida de líquidos y otras sustancias también aumenta proporcionalmente con el aumento de temperatura.
5. La superficie del cuerpo
Cuanto mayor es la superficie del cuerpo mayor es la fricción fluida. Por ejemplo, un cuerpo en movimiento horizontal puede atravesar el líquido más fácilmente que un cuerpo en movimiento vertical. Para un cuerpo con un área de superficie grande, la fricción del fluido aumenta en consecuencia y, por lo tanto, su movimiento o flujo se vuelve difícil.
6. Velocidad del cuerpo
La fricción y la velocidad son directamente proporcionales entre sí. Al aumentar la velocidad, la fricción o arrastre del fluido también aumenta proporcionalmente. Por ejemplo: un avión que vuela a la máxima velocidad de 1000 km/h. Se enfrentará a una mayor fuerza de fricción o arrastre de aire que otro avión similar que vuele a una velocidad de 600 km/h. O un bote de alta velocidad experimenta menos fricción de fluidos que un pez que se mueve lentamente.
7. La presión sobre el cuerpo
La fricción del fluido aumenta proporcionalmente con el aumento de la presión sobre el cuerpo. Con el aumento de la presión, se vuelve difícil para las moléculas viajar de un lugar a otro y también sobre las capas. Por lo tanto, existe una gran cantidad de resistencia al flujo de fluidos.
¿Qué es el arrastre viscoso?
Una fuerza de resistencia ejercida sobre un objeto en movimiento por el fluido se llama arrastre viscoso. La velocidad a la que el arrastre viscoso de un objeto que cae en un fluido viscoso es igual a las otras fuerzas que actúan sobre el objeto (como la gravedad), de modo que la aceleración del objeto es cero. Todo el mundo ha visto fluir fluidos. Desde verter un vaso de agua hasta ver el jarabe de arce deslizarse hacia el borde de una pila de panqueques. La viscosidad es la resistencia intrínseca de un fluido a fluir bajo una fuerza aplicada.
Veamos una explicación más técnica del arrastre viscoso y la viscosidad mediante el siguiente diagrama:
Volvamos al jarabe de arce otra vez y imaginemos que lo estamos congelando en losas delgadas que se apilan una encima de la otra.
Diagrama 1: Muestra estas capas y una fuerza, F, aplicada a la losa superior de jarabe congelado.
Dado que la fuerza aplicada actúa sobre la capa superior, esperaríamos que la capa superior fuera expulsada, ¿verdad?
La fricción entre la capa superior y la segunda capa arrastraría a la segunda capa. Esto continuará hacia abajo a través de las capas de losas, cada una hacia el fondo moviéndose menos que la capa superior.
Diagrama 2: Muestra este efecto en acción.
Ejemplos de problemas basados en la fricción de fluidos
Pregunta 1: Los barcos y los aviones se fabrican con forma aerodinámica. ¿Por qué?
Responder:
Una forma que es ancha en el medio y cónica en los extremos se llama forma aerodinámica. Tal forma reduce el arrastre o la fricción del fluido.
Por lo tanto, un cuerpo aerodinámico puede moverse fácilmente a través de un fluido. Las aves y los peces están naturalmente dotados de un cuerpo aerodinámico. Los barcos y aviones también se hacen aerodinámicos para que puedan moverse fácilmente por el aire o el agua.
Pregunta 2: ¿Por qué se aerodinamizan las carrocerías de barcos, aviones, coches, etc.?
Responder:
Para objetos que se mueven en fluidos como barcos, aviones, coches, etc.
La forma de su cuerpo es aerodinámica para reducir la fricción entre los cuerpos de los objetos como el fluido.
Pregunta 3: ¿Cómo podemos aterrizar sin problemas usando un paracaídas con la ayuda del arrastre viscoso?
Responder:
Cuando se acaba de abrir un paracaídas, la velocidad es hacia abajo y la aceleración es hacia arriba. Como resultado, su velocidad disminuye, que es el punto detrás del paracaídas.
La velocidad disminuye, por lo que la resistencia disminuye. El arrastre disminuye, por lo que la fuerza neta disminuye.
Pregunta 4: ¿Cuáles son las ventajas de un cuerpo aerodinámico?
Responder:
La aerodinámica de su cuerpo reduce la fricción del movimiento al mínimo, lo que disminuye la resistencia general.
Para los peces que tienen un cuerpo aerodinámico que es suave ayuda a ahorrar energía, de lo contrario tendrían que expandirse para nadar.
Pregunta 5: ¿Qué es el flujo laminar?
Responder:
Flujo laminar, tipo de flujo de fluido (gas o líquido) en el que el fluido viaja suavemente o en trayectorias regulares, en contraste con el flujo turbulento, en el que el fluido sufre fluctuaciones y mezclas irregulares.
Pregunta 6: ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es incorrecta?
(a) La fricción actúa sobre una bola que rueda por el suelo
(b) La fricción actúa sobre un bote que se mueve sobre el agua.
(c) La fricción actúa sobre una bicicleta que se mueve sobre un camino liso.
(d) La fricción no actúa sobre una bola que se mueve por el aire.
Responder:
(d) La fricción siempre actuará en caso de que la bola se mueva a través del aire.
Pregunta 7: ¿Cuál es el gradiente de velocidad si la fuerza de fricción es 6N y eta(????) es 0.25 y el área de la sección transversal es 100m 2 .
Solución:
El gradiente de velocidad es 0,25
Pregunta 8: Determine la fuerza de fricción en los fluidos si el coeficiente de fricción del fluido es 0,25, la velocidad con la que fluye el fluido es 2 m/s partiendo del reposo y el área de la sección transversal es 50 m 2 .
Solución:
Pregunta 9: Determine el coeficiente de fricción del fluido si se da F 3N y el área de la sección transversal se da 10m 2 y el gradiente de velocidad dado es 0.3/s.
Solución:
Sabemos,
El coeficiente de fricción del fluido es 1.
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Artículo escrito por dheerajhinaniya y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA