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Dec 05, 2023

Para descubrir nuevas leyes de flujo de fluidos, los investigadores recurren a pajitas para beber

23 de marzo de 2023 Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

23 de marzo de 2023

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por la Universidad de Nueva York

Un equipo de investigadores ha descubierto nuevas leyes que gobiernan el flujo de fluidos a través de experimentos con una tecnología de miles de años: una pajita para beber. Este conocimiento podría ser útil para mejorar el manejo de fluidos en aplicaciones médicas y de ingeniería.

"Descubrimos que beber con una pajita desafía todas las leyes previamente conocidas sobre la resistencia o fricción del flujo a través de una tubería o tubo", explica Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York y autor del estudio. , que aparece en el Journal of Fluid Mechanics. "Esto nos motivó a buscar una nueva ley que pudiera funcionar para cualquier tipo de fluido que se mueva a cualquier velocidad a través de una tubería de cualquier tamaño".

Los flujos de líquidos y gases a través de tuberías, tubos y conductos ocurren en muchas situaciones en la naturaleza y la industria, como en el flujo sanguíneo y en los oleoductos.

"El problema del flujo en tuberías siempre ha sido uno de los más básicos e importantes en el estudio de la mecánica de fluidos y, en muchos sentidos, el campo se desarrolló para abordar este problema", explica Ristroph, director del Laboratorio de Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Nueva York, donde se llevó a cabo la investigación. se llevó a cabo.

Sin embargo, en su trabajo, Ristroph y sus colegas descubrieron que todas las leyes conocidas que relacionan la presión y el caudal eran precisas sólo bajo ciertas condiciones.

Para llegar a esta conclusión, llevaron a cabo una serie de experimentos: mediciones de caudal y presión para tuberías metálicas de diferentes longitudes y diámetros utilizando varios tipos de líquido. El objetivo era determinar cómo se relacionan estos factores con la resistencia a la fricción del flujo que atraviesa la tubería.

"Nuestros datos mostraron que las famosas y clásicas leyes de la fricción del flujo sólo son exactas para algunas combinaciones de velocidades de flujo y tamaños de tubería", explica Ristroph. "Hemos identificado las situaciones en las que las leyes existentes no funcionan bien y hemos encontrado un buen ejemplo delante de nuestras narices: beber con pajita".

Se cree que las pajitas para beber se utilizaron ya hace 5.500 años en la civilización mesopotámica temprana de Sumeria. Pero la hidrodinámica de su funcionamiento no había sido estudiada previamente.

Los investigadores ampliaron su estudio para incluir varios tipos de pajitas (una fina para agitar café, una para refresco normal y una para té de burbujas anchas) y realizaron experimentos para determinar la fricción para los caudales típicos al beber.

Los datos sobre pajitas y pipas de tamaño similar no coincidían con ninguna de las leyes conocidas, que llevan el nombre de sus descubridores, los científicos Evangelista Torricelli y Jean Léonard Marie Poiseuille, entre otros.

Los investigadores descubrieron que cada ley clásica fallaba porque supone que la tubería es muy corta o muy larga y que el flujo es muy lento o muy rápido. Los casos intermedios, incluidas las pajitas, implican factores complicados, como cómo cambia el flujo a lo largo de la tubería y si se vuelve suave y laminar o áspero y turbulento.

Modelar tales efectos permitió al equipo derivar una fórmula matemática única, y sus predicciones coincidieron con las mediciones experimentales para todas las tuberías y pajitas y para todos los fluidos y velocidades de flujo que se probaron.

"Una fórmula universal podría resultar muy útil, por ejemplo, para comprender y modelar el flujo sanguíneo en el sistema circulatorio", observa Ristroph. "Nuestras venas, arterias y capilares son básicamente tuberías con muchos diámetros, longitudes y caudales diferentes".

Más información: Olivia Pomerenk et al, Hidrodinámica de tuberías de longitud finita con números de Reynolds intermedios, Journal of Fluid Mechanics (2023). DOI: 10.1017/jfm.2023.99

Información de la revista:Revista de mecánica de fluidos

Proporcionado por la Universidad de Nueva York