FUERZA DE
ROZAMIENTO DE PARTÍCULAS SUMERGIDAS EN FLUÍDOS
Repetimos en clase, una y mil veces, que la fuerza de
rozamiento es el coeficiente de rozamiento por la fuerza normal.
Debe quedar claro, que en este caso hablamos el rozamiento
entre cuerpos sólidos.
¿Qué ocurre cuando
un objeto sólido se desliza por el interior de un fluido?
Imaginemos un granizo cayendo desde una nube. Puesto que el
aire es un fluido, el granizo caería mucho más rápido en el vacío que en la
atmósfera, porque hay rozamiento entre el granizo y las moléculas de los gases
que componen el aire
.
¿Cómo podemos
calcular este rozamiento? No podemos simplificar del modo en que lo
hicimos en el ejercicio 3 del último examen, no es muy coherente hablar de la
fuerza normal del granizo, cuando este no está “posado” sobre una superficie.
En primer lugar, debemos considerar dos propiedades
características de los fluidos:
- Viscosidad
Es la resistencia que presenta un
líquido al movimiento. Se debe a las fuerzas de cohesión entre las partículas
del fluido, y disminuye al aumentar la temperatura.
La del agua líquida es de 10-3
kg/m.s a 20ºC
La del aire a 20ºC es de 1,83.10-5
kg/m.s
Vemos que el agua es más viscosa
que el aire.
Cuanto mayor es la viscosidad del
fluido, mayor resistencia (rozamiento) encuentra una partícula cuando
se mueve en el mismo.
- Densidad del fluido
Es la masa de una sustancia por
unidad de volumen. La densidad también disminuye al aumentar la temperatura.
La densidad del agua es de 1 kg/m3
entre 0 y 12 ºC disminuye a 0,96 kg/m3 a 100ºC.
La densidad del aire es de 1,2
kg/m3 a 20C. Su densidad es menos que la del agua.
Cuanto mayor es la densidad de
fluido, mayor es la resistencia que encuentra la partícula que se mueve en el
mismo.
También influyen las características del sólido (granizo).
- Diámetro del objeto (desf)
Si asumimos que el objeto es
esférico, tiene cierta lógica que la resistencia a su avance sea mayor, cuanto
mayor es la superficie del mismo que “roza” con el fluido. Por ello,
aparece el diámetro del objeto en la fórmula. En muchos libros hay tablas con
coeficientes para trabajar con objetos no esféricos.
- Velocidad de la partícula (u) y velocidad terminal (ut)
La velocidad terminal, es aquella
que adquiere el objeto cuando deja de acelerar, es decir, cuando la fuerza
gravitatoria se iguala a la fuerza de rozamiento con el fluido, y la fuerza
neta es 0.
A partir de ese momento, la
velocidad de caída será constante.
La velocidad terminal será mayor,
cuanto menor sea el rozamiento con el fluido.
Experimentalmente, se ha encontrado que todas estas
magnitudes influyen en la fuerza de rozamiento como se muestra a continuación:
CD un coeficiente llamado de rozamiento, que se
puede obtener de tablas.
Este coeficiente CD aumenta con la viscosidad del
fluido, y cuando tiene un valor bajo, hace que se alcancen velocidades
terminales altas.
Todas estas fórmulas y consideraciones, son importantes en
algunos campos de las ciencias medioambientales, para diseñar columnas de
depuración de gases, o para estimar los tiempos que tardan algunas partículas
que se encuentran en suspensión en la atmósfera en depositarse sobre la
superficie de la tierra.
¿Sabías que las
partículas de sílice menores de 10 micras son respirables, y pueden causar
silicosis?
Los científicos emplean las consideraciones que acabas de
leer para calcular el tiempo que pueden tardar las partículas de sílice en
depositarse sobre el terreno.
MÁS CONSIDERACIONES
SOBRE LA FUERZA DE ROZAMIENTO
En los libros de texto de 4º de ESO y de 1º de bachillerato,
aparece un término absolutamente incorrecto: TRABAJO DE LAS FUERZAS DE
ROZAMIENTO.
Imaginemos un coche circulando a 30 km/h por una carretera
horizontal, sin pendientes. Su conductor no acelera ni frena. Si no hubiera
rozamiento, según la 1ª ley de Newton, este coche continuaría moviéndose a 30
km/h perpetuamente.
Y sin embargo se detiene. La causa es el rozamiento, el
rozamiento hace que la energía cinética se disipe (ojo, la energía no se
destruye), hay una disipación de energía en forma de calor (se calienta la
carretera, y también los neumáticos). La energía cinética, se transforma
íntegramente en calor.
En clase hemos aprendido a calcular esta energía disipada.
La calculamos como si fuera un trabajo (tener en cuenta que d es el desplazamiento)
Pero hemos de saber, que realmente NO ES UN TRABAJO, porque
nunca va a ser capaz de mover el coche en sentido contrario. Esa energía
mecánica “perdida” es ya irrecuperable, y las transformaciones energéticas se
dan solo en un sentido.
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