En dinámica de fluidos , el flujo no viscoso es el flujo de un fluido no viscoso que es un fluido con viscosidad cero . [1]
El número de Reynolds del flujo no viscoso se acerca al infinito cuando la viscosidad se acerca a cero. Cuando se desprecian las fuerzas viscosas, como en el caso del flujo no viscoso, la ecuación de Navier-Stokes se puede simplificar a una forma conocida como ecuación de Euler . Esta ecuación simplificada es aplicable tanto a flujo no viscoso como a flujo con baja viscosidad y un número de Reynolds mucho mayor que uno. Usando la ecuación de Euler, muchos problemas de dinámica de fluidos que involucran baja viscosidad se resuelven fácilmente; sin embargo, la viscosidad insignificante supuesta ya no es válida en la región del fluido cerca de un límite sólido (la capa límite ) o, más generalmente, en regiones con grandes gradientes de velocidad. que evidentemente van acompañadas de fuerzas viscosas. [1] [2] [3]
El flujo de un superfluido no es viscoso. [4]
Los flujos no viscosos se clasifican ampliamente en flujos potenciales (o flujos irrotacionales) y flujos no viscosos rotacionales.
Ludwig Prandtl desarrolló el concepto moderno de capa límite . Su hipótesis establece que para fluidos de baja viscosidad, las fuerzas de corte debidas a la viscosidad son evidentes sólo en regiones delgadas en el límite del fluido, adyacentes a superficies sólidas. Fuera de estas regiones, y en regiones de gradiente de presión favorable, las fuerzas de corte viscosas están ausentes, por lo que se puede suponer que el campo de flujo de fluido es el mismo que el flujo de un fluido no viscoso. Al emplear la hipótesis de Prandtl, es posible estimar el flujo de un fluido real en regiones de gradiente de presión favorable asumiendo un flujo no viscoso e investigando el patrón de flujo irrotacional alrededor del cuerpo sólido. [5]
Los fluidos reales experimentan la separación de la capa límite y las estelas turbulentas resultantes, pero estos fenómenos no pueden modelarse utilizando un flujo no viscoso. La separación de la capa límite generalmente ocurre cuando el gradiente de presión se invierte de favorable a adverso, por lo que es inexacto utilizar flujo no viscoso para estimar el flujo de un fluido real en regiones de gradiente de presión desfavorable . [5]
El número de Reynolds (Re) es una cantidad adimensional que se utiliza comúnmente en dinámica de fluidos e ingeniería. [6] [7] Descrito originalmente por George Gabriel Stokes en 1850, se popularizó por Osborne Reynolds , de quien Arnold Sommerfeld nombró el concepto en 1908. [7] [8] [9] El número de Reynolds se calcula como:
El valor representa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas en un fluido y es útil para determinar la importancia relativa de la viscosidad. [6] En el flujo no viscoso, dado que las fuerzas viscosas son cero, el número de Reynolds se acerca al infinito. [1] Cuando las fuerzas viscosas son insignificantes, el número de Reynolds es mucho mayor que uno. [1] En tales casos (Re>>1), asumir un flujo no viscoso puede ser útil para simplificar muchos problemas de dinámica de fluidos.
En una publicación de 1757, Leonhard Euler describió un conjunto de ecuaciones que gobiernan el flujo no viscoso: [10]
Suponer un flujo no viscoso permite aplicar la ecuación de Euler a flujos en los que las fuerzas viscosas son insignificantes. [1] Algunos ejemplos incluyen el flujo alrededor del ala de un avión, el flujo aguas arriba alrededor de los soportes de un puente en un río y las corrientes oceánicas. [1]
En 1845, George Gabriel Stokes publicó otro importante conjunto de ecuaciones, hoy conocidas como ecuaciones de Navier-Stokes . [1] [11] Claude-Louis Navier desarrolló las ecuaciones primero utilizando la teoría molecular, que fue confirmada por Stokes utilizando la teoría del continuo. [1] Las ecuaciones de Navier-Stokes describen el movimiento de los fluidos: [1]
Cuando el fluido no es viscoso, o se puede suponer que la viscosidad es insignificante, la ecuación de Navier-Stokes se simplifica a la ecuación de Euler: [1] Esta simplificación es mucho más fácil de resolver y puede aplicarse a muchos tipos de flujo en los que la viscosidad es despreciable. [1] Algunos ejemplos incluyen el flujo alrededor del ala de un avión, el flujo aguas arriba alrededor de los soportes de un puente en un río y las corrientes oceánicas. [1]
La ecuación de Navier-Stokes se reduce a la ecuación de Euler cuando . Otra condición que conduce a la eliminación de la fuerza viscosa es , y esto da como resultado una "disposición de flujo no viscoso". [12] Se ha descubierto que estos flujos tienen forma de vórtice.
Es importante señalar que ya no se puede asumir una viscosidad insignificante cerca de límites sólidos, como en el caso del ala de un avión. [1] En regímenes de flujo turbulento (Re >> 1), la viscosidad generalmente se puede despreciar; sin embargo, esto solo es válido en distancias alejadas de las interfaces sólidas. [1] Al considerar el flujo en las proximidades de una superficie sólida, como el flujo a través de una tubería o alrededor de un ala, es conveniente categorizar cuatro regiones distintas de flujo cerca de la superficie: [1]
Aunque estas distinciones pueden ser una herramienta útil para ilustrar la importancia de las fuerzas viscosas cerca de interfaces sólidas, es importante señalar que estas regiones son bastante arbitrarias. [1] Suponiendo que el flujo no viscoso puede ser una herramienta útil para resolver muchos problemas de dinámica de fluidos, sin embargo, esta suposición requiere una consideración cuidadosa de las subcapas de fluido cuando se trata de límites sólidos.
Superfluido es el estado de la materia que exhibe un flujo sin fricción y viscosidad cero, también conocido como flujo no viscoso. [4]
Hasta la fecha, el helio es el único fluido descubierto que presenta superfluidez. El helio-4 se convierte en superfluido una vez que se enfría por debajo de 2,2 K, un punto conocido como punto lambda . [13] A temperaturas superiores al punto lambda, el helio existe como un líquido que exhibe un comportamiento dinámico de fluido normal. Una vez que se enfría por debajo de 2,2 K, comienza a exhibir un comportamiento cuántico . Por ejemplo, en el punto lambda hay un fuerte aumento en la capacidad calorífica, a medida que se continúa enfriando, la capacidad calorífica comienza a disminuir con la temperatura. [14] Además, la conductividad térmica es muy grande, lo que contribuye a las excelentes propiedades refrigerantes del helio superfluido. [15] De manera similar, el helio-3 se convierte en un superfluido a 2.491 mK.
Los espectrómetros se mantienen a una temperatura muy baja utilizando helio como refrigerante. Esto permite un flujo de fondo mínimo en lecturas de infrarrojo lejano. Algunos de los diseños de los espectrómetros pueden ser simples, pero incluso el marco está en su punto más cálido a menos de 20 Kelvin. Estos dispositivos no se utilizan habitualmente porque resulta muy caro utilizar helio superfluido en lugar de otros refrigerantes. [dieciséis]
El helio superfluido tiene una conductividad térmica muy alta, lo que lo hace muy útil para enfriar superconductores. Los superconductores como los utilizados en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) se enfrían a temperaturas de aproximadamente 1,9 Kelvin. Esta temperatura permite que los imanes de niobio y titanio alcancen un estado superconductor. Sin el uso del helio superfluido, esta temperatura no sería posible. Usar helio para enfriar a estas temperaturas es muy costoso y los sistemas de enfriamiento que utilizan fluidos alternativos son más numerosos. [17]
Otra aplicación del helio superfluido es su uso para comprender la mecánica cuántica. El uso de láseres para observar pequeñas gotas permite a los científicos observar comportamientos que normalmente no serían visibles. Esto se debe a que todo el helio de cada gota se encuentra en el mismo estado cuántico. Esta aplicación no tiene ningún uso práctico por sí sola, pero nos ayuda a comprender mejor la mecánica cuántica, que tiene sus propias aplicaciones.
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