Fricción de fluidos: Definición, formulas y ejemplos

¿Qué es la fricción de fluidos?

La fricción está presente no solo en los sólidos sino también en los fluidos. El fluido es un estado de la materia que fluye continuamente y se deforma cuando se ve afectado por una fuerza o un esfuerzo cortante. Los fluidos se refieren tanto a líquidos como a gases. Las moléculas de los fluidos están en constante movimiento, chocando entre sí. La fuerza que se opone al movimiento entre o dentro de este fluido se conoce como fricción fluida. Esta fuerza ocurre entre capas de fluido y restringe el movimiento del medio que se mueve a través del fluido o dentro de sí mismo.

La fricción de fluidos también se denomina arrastre viscoso, que describe la fuerza de fricción ejercida por los fluidos. La cantidad de fricción depende de la viscosidad del fluido. La viscosidad es la resistencia del fluido al flujo que es causada por la fricción interna en la que las partículas dentro de un fluido experimentan fuerzas intermoleculares. Los fluidos como el jarabe y la miel tienen una alta viscosidad que da como resultado un movimiento lento y pueden resistir la deformación. Por otro lado, los fluidos como el agua o el jugo de frutas tienen una viscosidad baja en la que las moléculas se mueven rápidamente y se cortan fácilmente debido a la baja resistencia.

Las fuerzas moleculares juegan un papel importante en la fricción de los fluidos. La intensidad de las fuerzas intermoleculares que ocurren entre las moléculas determina la tasa de fricción del fluido. Cuanto mayor sea el tamaño de las moléculas, mayor será la atracción intermolecular. Mientras que, cuanto más pequeño es el tamaño de las moléculas, más débil es la atracción. Esta fuerza entre moléculas de una misma sustancia se llama fuerza de cohesión. Por otro lado, las interacciones entre las moléculas de una superficie sólida y líquida se denominan fuerza adhesiva.

Leyes de fricción de fluidos

Hay tres leyes de fricción de fluidos:

• Primera ley: un aumento en el área de contacto entre el fluido y la superficie aumentará la fricción del fluido.
• Segunda ley: un aumento en la velocidad del objeto por unidad de distancia aumentará la fuerza de fricción.
• Tercera ley: los fluidos tendrán un valor más alto de fuerza de fricción si tienen un coeficiente de fricción de fluido más alto.

Factores que afectan la fricción de fluidos

Varios factores afectan la cantidad de fuerza de fricción del fluido ejercida sobre un objeto. Estos son:

Velocidad del objeto: la fricción aumenta cuando aumenta la velocidad del objeto. La fricción del fluido será menor si la velocidad del objeto es menor. Por lo tanto, la velocidad y la fricción están en proporción directa entre sí. Por ejemplo, un pájaro que vuela a una velocidad de 100 mph experimentará más fuerza de fricción o arrastre que un pájaro similar que vuela a 50 mph.

Forma del objeto: para minimizar la fricción de los objetos para un flujo o movimiento más suave, la forma de algunos objetos está diseñada para tener una estructura aerodinámica. Tener una estructura aerodinámica significa que está ahusado en ambos extremos. Objetos como aviones, submarinos y barcos tienen un cuerpo aerodinámico que disminuye la resistencia general. Algunos peces y pájaros como los pingüinos tienen un cuerpo aerodinámico natural que reduce la resistencia y ayuda a nadar. Esta forma tiene un área más pequeña y los extremos cónicos cortan fácilmente el agua o el aire. Por ejemplo, un tiburón nadará más rápido que un pulpo debido a la forma aerodinámica de su cuerpo.

Viscosidad del fluido: cuanto más espeso es el fluido, mayor es la fricción del fluido. Considerando que, un fluido más delgado causará menos fricción fluida. Por ejemplo, una sustancia que se mueve sobre el jarabe enfrentará una fuerza intermolecular mayor que la misma sustancia que se mueve sobre el agua. La densidad del agua es menor que la densidad del jarabe, lo que resulta en una menor resistencia al flujo de la sustancia. El nivel de viscosidad del fluido determina la velocidad del objeto que lo atraviesa. La fricción o el arrastre del fluido serán mayores cuando la viscosidad del fluido sea mayor.

La temperatura: La temperatura también juega un papel importante al afectar la fricción del fluido. La fricción del fluido es indirectamente proporcional a la temperatura. La fricción disminuye con el aumento de la temperatura del fluido ya que las moléculas del fluido se mueven más rápido. Por otro lado, a medida que baja la temperatura, la fricción aumenta debido a una atracción intermolecular más fuerte que hace que el fluido sea más viscoso, lo que aumenta su fricción.

El área de superficie del objeto: un objeto con un área de superficie más grande experimentará más resistencia al moverse a través de un fluido. El movimiento de los objetos con mayor área de superficie se vuelve más lento que el de los objetos con menor área de superficie. Por ejemplo, el movimiento de un crucero será más lento que el movimiento de un yate.

Tipos de fricción de fluidos

La fricción de fluidos se clasifica en fricción interna de fluidos y fricción externa. La fricción interna del fluido se trata de la atracción intermolecular entre moléculas de la misma sustancia, mientras que la fricción externa del fluido es la atracción molecular entre el fluido y un objeto sólido.

Fricción interna de fluidos

Como se mencionó anteriormente, la resistencia de un fluido a fluir se llama viscosidad. La viscosidad de un fluido se debe a la fricción interna del fluido donde las moléculas del fluido interactúan entre sí, lo que da como resultado la fricción. Por ejemplo, el ketchup es espeso y se requiere más fuerza para sacarlo de la botella que el jugo de frutas. Por lo tanto, es la fricción interna del fluido entre las moléculas de varios fluidos lo que hace que fluyan más rápido o más lento. Flujo de couette es el resultado de la fricción interna del fluido donde hay fluido entre dos placas. La placa superior se mueve con velocidad constante y la placa inferior está estacionaria.

La ecuación para calcular la fricción interna del fluido o la viscosidad es: –

Esta fórmula se utiliza para calcular el coeficiente de viscosidad y el gradiente de velocidad. El gradiente de velocidad es la relación entre la distancia y la velocidad entre la placa estacionaria y la móvil.

Fricción de fluidos externos

Cuando un objeto sólido se mueve a través de un fluido, se denomina fricción de fluido externo. Es la interacción del fluido con otra materia. Por ejemplo, el agua que empuja contra un nadador experimenta un arrastre por fricción en el agua. Permanece en proporción directa al área de la superficie que está en contacto con el fluido. La fricción de la piel es el resultado de la fricción del fluido externo. Ocurre cuando el flujo de fluido que rodea un objeto se ve interrumpido por deformidades en la superficie o la piel que lo rodea.

La ecuación para calcular la fricción del fluido externo es: –

Esta fórmula se aplica para calcular la fuerza de arrastre que enfrenta un objeto causada por el movimiento a través de un fluido.

Ejemplos de fricción de fluidos

• Revolviendo el café con una cuchara donde las moléculas del café interactúan con una materia diferente provocando fricción.
• Navegación de un submarino con una estructura aerodinámica. Experimenta menos arrastre o fuerza de fricción que los portacontenedores que tienen una estructura más amplia. Por lo tanto, al cambiar la forma de un objeto, la fuerza de fricción se puede reducir o aumentar según sea necesario.
• Nadar en el agua es un ejemplo de fricción fluida en la que el nadador, para avanzar, empuja el agua hacia atrás. Mientras nadan, los nadadores sienten resistencia al flujo. Por lo tanto, la natación se considera un ejercicio saludable para los músculos.
• Limpiar con fluidos: limpiar superficies como pisos y escritorios con un limpiador líquido es un ejemplo de fricción de fluidos. Es más conveniente que la fricción seca.
• El uso de crema de afeitar reduce la fricción porque forma una fina capa de líquido entre la hoja de afeitar y la piel que minimiza el daño a la piel.

Resumen de la lección

La fricción de fluidos es la fuerza que se opone a un movimiento que tiene lugar dentro de los fluidos o entre fluidos. Los líquidos y los gases se llaman fluidos. La viscosidad es un tipo de fricción que resiste el flujo de fluido para cambiar su forma. Cuando un fluido aplica una fuerza sobre cualquier objeto en movimiento, se conoce como arrastre viscoso. Las dos fuerzas moleculares que ocurren en la fricción del fluido son la fuerza cohesiva y la fuerza adhesiva.

Hay alrededor de cinco factores principales que afectan la fricción del fluido. Estos son:

• Forma del objeto
• Velocidad del cuerpo
• Temperatura
• Superficie del objeto
• Viscosidad del fluido

La fricción interna de fluidos ocurre cuando hay una atracción intermolecular entre moléculas de la misma sustancia. Un ejemplo es el flujo de Couette. Por otro lado, la fricción de un fluido externo es la atracción molecular entre un fluido y un objeto sólido. La fricción de la piel es un ejemplo de fricción de fluidos externos. Por lo tanto, experimentamos fricción de fluidos en nuestra vida diaria a partir de sacar la pasta de dientes del tubo, remover nuestro café, usar bolígrafos de tinta y mucho más.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador