Esteartculosepublicaconlaintencindecompartirunarecopilacinestudiantilquenecesariamenteestsujetaacorreccionesortogrficas,gramaticales,deformayde

contenido.Porestemotivodebeconsiderarsecomomaterialenprocesodeelaboracin,annoterminado.

ELEXPERIMENTODEREYNOLDS

Reynolds en 1883 presentaba el siguiente dilema, en sus extensos trabajos:"Aunque las ecuaciones de la hidrodinmica sean aplicables al movimiento laminar,o sea sin remolinos, mostrando que entonces la resistencia es proporcional a lavelocidad, no haban arrojado hasta ese entonces ninguna luz sobre lascircunstancias de las cuales dicho movimiento depende. Y, con todo y que en aosrecientes estas ecuaciones se haban aplicado a la teora del torbellino, no sehaban aplicado en lo absoluto al movimiento del agua que es una masa deremolinos, movimiento turbulento, ni haban ofrecido una pista para descubrir lacausa de que la resistencia a tal movimiento vare como el cuadrado de lavelocidad" y agregaba: "Mientras que, cuando se aplican a olas y al movimiento delagua en tubos capilares, los resultados tericos concuerdan con losexperimentales, la teora de la hidrodinmica haba fracasado hasta la fecha enproporcionar la ms leve sugerencia acerca del porqu no logra explicar las leyesde la resistencia encontrada por grandes cuerpos que se mueven a travs del aguacon velocidades sensiblemente grandes, o por el agua en tuberas bastante anchas"

Reynolds buscaba determinar si el movimiento del agua era laminar o turbulento,existen varias influencias para el orden, como su viscosidad o aglutinamiento,cuando ms glutinoso sea el fluido, menos probable es que el movimiento regularse altere en alguna ocasin. Por otro lado tanto la velocidad y el tamao sonfavorables a la inestabilidad, cuanto ms ancho sea el canal y ms rpida lavelocidad mayor es la probabilidad de remolinos. La condicin natural del flujo era,para Reynolds, no el orden sino el desorden y la viscosidad es el agente que seencarga de destruir continuamente las perturbaciones. Una fuerte viscosidadpuede contrarrestarse con una gran velocidad.

Reynolds bajo el punto de vista dimensional y con las ecuaciones fundamentalesdel movimiento comenz a resolver dichas dudas. A presin constante, pens, lasecuaciones del movimiento de un fluido equilibran el efecto de inercia, representado

por la energa cintica contenida en la unidad de volumen, U2, con el efectoviscoso, representado por el esfuerzo de Newton, U/c, donde U es la velocidadmedia y c una longitud caracterstica de la corriente en estudio (el dimetro deltubo por ejemplo). Dio origen al siguiente parmetro llamado "Nmero deReynolds":

Efecto de inercia/Efectoviscoso =U2/(U/c) =Uc/

Resultaserunparmetrosindimensiones,capazdecuantificarlaimportanciarelativadelasaccionesmencionadas:unvalorpequeoindicaquelosefectosviscososprevalecen,conloqueelescurrimientoserprobablementelaminar,unvalorgrande,esseadequepredominalainercia,sugiereuncomportamientoturbulento.DebepuesexistirunvalorintermedioconcluaReynoldsqueseparelosdosregmenesyesteidentificarnosololavelocidadcrtica,conocindoselaviscosidadylalongitudcaracterstica,sinotambinlaviscosidadylavelocidadcrticas,dadoslosvaloresdelosotrosdosparmetros.Habaahoraqueacudiralexperimentoparaconfirmarestaprevisin.

Entoncessepropusodeterminarbajoquecondicionesseproduceelescurrimientolaminaryelturbulento,siendoqueesteultimosecaracterizaporlapresenciaderemolinosyelotrono,laprimeraideaqueseleocurrifuevisualizarconcolorante.Construyo,conuntubodevidriode6mmdedimetro,unsifnABCconunaentradaabocinadaenAyvlvuladecontrolenC,quellendeaguaeintrodujosubrazocortoABenelaguadeunvasoV.Porotrolado,instaloundepositodeliquidocoloreadoD,provistodeuntuboEF,tambinde6mm,terminadoenunaangostaboquillacnicaquepenetrabaenelcentrodelabocaA.ElsuministrodeestelquidosecontrolabapormediodelapinzaP.

Luegodedejartodoelsistemallenodeaguadurantevariashoras,paraasegurarsequetodomovimientointernocesara,seabrapocoapocolapinza.EllquidocoloradosaladelaboquillaF,primeroadquiriendolaformadelallamadeunavela,luegoalargndose,hastavolverseunfilamentomuydelgadoquealpermitirseeldesageporCseextendaportodoelsifn.AlavlvulaCseledabanaperturassiempremayores,paraqueaumentaralavelocidaddelaguaenelsifnyalmismotiemposeincrementabaelsuministrodecolorante,afindequeelfiletesemantuvieravisible.Contrariamentealoprevisto,conlamximaaberturadelavlvula,esteltimosemantenatodavaperfectamenteclaroyestablealolargodetodoeltubo,sinelmenorasomodeperturbacionesenlacorriente.Se

prolongelbrazoBChastacasitocarelpisoparaaumentaraunmslavelocidadperonada,elfiletenosealterabaenlomsmnimo.

Evidentemente el dimetro, de un cuarto de pulgada, escogido para el sifn erademasiado reducido, el flujo no pasaba de laminar. Entonces Reynolds decidi usarun tubo de una pulgada. Pero hacer un sifn de vidrio de este dimetro no era fcily se le ocurri una solucin mucho ms simple:

El dibujo que Reynolds presento es el siguiente:

El tanque V, de seis pies de largo, uno y medio de ancho y otro tanto deprofundidad, se ve levantado siete pies por encima del piso, con el fin de alargarconsiderablemente el brazo vertical de la tubera de fierro que prolongaba, al otrolado de la pared del tanque, el tubo de vidrio AB donde el experimento se realizaba.Tambin utilizo un flotador, que permite controlar al centsimo de pulgada labajada de nivel del agua en el tanque, y de pie sobre la plataforma el buen Mr.Foster, el ayudante, listo para regular, con una palanca gigantesca, elescurrimiento.

Elprimerensayosepudorealizarel22deFebrerode1880.ReynoldsyFosterllegarontemprano,llenaroneltanqueconunamangueray,delas10delamaanaalasdosdelatarde,lodejarondescansarparaqueelaguasetranquilizara.Luegoseempezelexperimentodelamismaformaquelasprimerastentativas.Sepermitialtintefluirmuydespacio,yseabriunpocolavlvula.Elfilamentocoloreadoseestablecicomoantes(Figa)ypermanecimuyestablealcrecerlavelocidadhastaquederepenteconunaleveaperturadelavlvula,enunpuntosituadomsomenosdospiesantesdeltubodehierro,elfilamentoseexpandiysemezclconelagua,hastallenarelrestodelconductoconunanubecoloreada,queaprimeravistaparecacomountinteuniforme(Figb).Sinembargo,unexamenmscuidadosorevelolanaturalezadeesanube:moviendoelojoamododeseguirelavancedelacorriente,laexpansindelfiletecoloreadosedeshizoenmovimientoondulatoriodelfilamentobiendefinido,primerosinmayoresdisturbiosluegodespusdedosotresondasapareciunasecuenciaderemolinosaisladosyperfectamenteclaros(Figc).Selespodareconocerbastantebienalseguirlosconlosojosperosedistinguanmejorconeldestellodeunchispazo,cerrandounpoquitolavlvula,losremolinosdesaparecieron,yelfiletecoloreadosereconstituy.

Fig a

Figb

Figc

As, se haban podido producir en un mismo tubo, con solo variar la velocidad, losdos regmenes, laminar y turbulento. Pero el mismo resultado deba obtenerse alcalentar el agua, y as reducir su viscosidad. El cuarto donde se realizaban losexperimentos estaba a una temperatura de 8.3C, y esta era tambin latemperatura del agua con un chorro de vapor Reynolds consigui elevarla a 21C,reduciendo 1.39 veces la viscosidad. Aumentando poco a poco la velocidad,determino en ambos casos el valor crtico con el cual empezaba a transformarse elmovimiento laminar y encontr que en el segundo la velocidad critica era 1.45veces menor que en el primero.

Aunque esta concordancia fuera aceptable, considerando la naturaleza del ensayo,Reynolds qued con la idea de que en el tanque calentado deba manifestarse

algunas perturbaciones adicionales: unas podan resultar de la diferencia detemperatura entre el agua y el medio ambiente, por lo cual la superficie libre delagua y aquellas en contacto con las paredes sufriran un enfriamiento, que a suvez podra crear una circulacin dentro del tanque. Otras perturbaciones se debanal gradiente de temperatura en el tanque mismo, ya que est, en el fondo, llegaba aser hasta 5C ms alta que en la superficie. Reynolds prefiri enfriar el agua hastasu mxima densidad, 4C agregndole hielo. El experimento comprob que entodos los casos s existe una velocidad crtica, y que esta vara en proporcindirecta con la viscosidad del flujo. Por otro lado, ensayos realizados, adems del deuna pulgada, con otros dos tubos, de media y un cuarto, permitieron concluir quela velocidad mencionada es inversamente proporcional al dimetro del tubo,confirmando as que el flujo laminar se empieza a alterar por un valor bien definidodel parmetro UD/.

Estos ensayos, realizados con sumo cuidado en muchsimas condiciones distintas,le permitieron confirmar que su previsin era correcta aun cuando llego a laconclusin de que, para flujo turbulento, la resistencia que el conducto ofrece alavance de la corriente no es proporcional al cuadrado de la velocidad, sino a lapotencia de exponente 1.722.

BIBLIOGRAFA

ENSO LEVI, El Agua Segn la Ciencia, Evolucin de la hidrulica, Volumen I.

Esteban Olano

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