¿Qué es la fricción de fluidos? – Definición, ecuación y ejemplo

Publicado el 26 octubre, 2021

¿Qué es un fluido?

¿Alguna vez te has preguntado por qué es más fácil exprimir un tubo de pasta de dientes que exprimir miel en tu té? ¿Alguna vez sacó la mano por la ventana mientras conducía y sintió la resistencia del viento empujando hacia atrás en su mano? Ambos se relacionan con la fricción de los fluidos.

Primero, comprendamos los fluidos. Un fluido , en contraste con un sólido, es un material sin forma fija que se deforma constantemente cuando actúa sobre él una fuerza externa. Probablemente piense en cosas como el agua y el café como líquidos; sin embargo, los gases, como el aire, y sustancias como el aceite de motor también son fluidos. La propiedad que hace que parezcan muy diferentes entre sí es la viscosidad. La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido a fluir debido a su fricción interna. Esta es la razón por la que la miel es mucho más difícil de exprimir de la botella que la salsa de tomate. También describe por qué es más difícil moverse en una piscina que en tierra firme.

¿Qué es la fricción de un fluido?

La fricción del fluido es la fuerza que resiste el movimiento dentro del propio fluido o de otro medio que se mueve a través del fluido. Existe fricción interna , que es el resultado de las interacciones entre moléculas del fluido, y existe fricción externa , que se refiere a cómo un fluido interactúa con otra materia.

Fricción interna

Primero echemos un vistazo a la fricción interna del fluido. A simple vista, un fluido es un medio continuo. Sin embargo, si observa un fluido con un microscopio de alta potencia, verá que los fluidos en realidad están formados por moléculas separadas por una cantidad considerable de espacio vacío. Para deformar un fluido (p. Ej., Exprimir la miel a través de un pequeño orificio), las moléculas deben moverse entre sí apretándose o desplazándose unas a otras. Esta es la fricción interna y es lo que impide que fluya un fluido. Cuanto más fricción interna, más difícil es hacer que las moléculas se muevan y más difícil es forzar la deformación del fluido. Pero la fricción interna no siempre es una consecuencia negativa. Por ejemplo, sin fricción interna,

La ilustración más común de fricción interna es la de Couette Flow . Esto es cuando un fluido viscoso se intercala entre dos placas planas. La placa inferior está fija, mientras que la placa superior se mueve.

Ecuación

La fuerza necesaria para superar la fricción del fluido y mover la placa superior a una velocidad vo es:

Fuerza de corte en flujo viscoso

El fluido más cercano a la placa se mueve tan rápido como la placa asumiendo una condición de no deslizamiento en la superficie de la placa. El fluido más alejado de la placa en movimiento tiene una velocidad más baja debido a la fricción del fluido.

Fricción externa

Ahora, echemos un vistazo a la fricción del fluido externo. También hay una fuerza de fricción de fluido externa que actúa sobre un sólido cuando se mueve a través de un fluido. Esta fuerza se opone a la dirección del movimiento y se conoce como arrastre por fricción de la piel . Es un componente del arrastre total (los otros son arrastre de forma, arrastre inducido, arrastre de onda, arrastre de ariete y arrastre de interferencia). El arrastre por fricción de la piel se calcula de la siguiente manera:

Ecuación

Ecuación de arrastre de fricción
Componentes de arrastre por fricción

El coeficiente de arrastre por fricción está relacionado con la viscosidad del fluido a través del número de Reynolds , un parámetro adimensional. El número de Reynolds se calcula de la siguiente manera:

Número de Reynolds

A su vez, el coeficiente de arrastre por fricción se calcula de la siguiente manera:

Coeficiente de arrastre de fricción

Esta fuerza de arrastre es una de las cosas que contribuye al consumo de gasolina al conducir. Cuanto más rápido conduzca, mayor será la fuerza de arrastre, por lo que se debe aplicar más potencia a las ruedas para impulsarlo hacia adelante.

Resumen de la lección

Repasemos lo que hemos aprendido. Primero, aprendimos que un fluido es un material sin forma fija que se deforma constantemente cuando actúa sobre él una fuerza externa y que experimenta fricción como cualquier otra cosa en nuestro mundo. De hecho, la fricción de los fluidos se encuentra a nuestro alrededor, incluso en el aire que respiramos y el café que bebemos. Es la fuerza que resiste el movimiento dentro del propio fluido o de otro medio que se mueve a través del fluido.

La fricción interna del fluido es una propiedad de todos los fluidos y es el resultado de las interacciones entre las moléculas del fluido. También se puede considerar como viscosidad , que es la medida de la resistencia de un fluido a fluir debido a su fricción interna. Al calcular la fricción interna del fluido, también aprendimos sobre Couette Flow , que es cuando un fluido viscoso se intercala entre dos placas planas.

La fricción externa , por otro lado, es la forma en que un fluido interactúa con otra materia y se puede encontrar en la superficie de un objeto que está tocando un fluido. Aprendimos acerca de una fuerza de fricción externa que se opone a la dirección del movimiento, conocida como arrastre por fricción de la piel , que se experimenta cuando un sólido se mueve a través de un líquido. Al calcular la fricción del fluido externo, aprendimos sobre el coeficiente de arrastre por fricción, que está relacionado con la viscosidad del fluido a través del número de Reynolds , un parámetro adimensional.

En resumen, sin la fricción del fluido, no podría beber con una pajita ni remover el café, pero gastaría mucho menos en gasolina.

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