Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Número de Reynolds y turbulencia


En el estudio de la mecánica de fluidos, un elemento clave es entender cómo fluyen los fluidos y qué tipos de flujo exhiben. Un concepto importante en este análisis es el número de Reynolds, que ayuda a predecir patrones de flujo en diferentes condiciones de flujo de fluidos. Si el flujo es suave y predecible o caótico e impredecible puede depender en gran medida del número de Reynolds. Además, comprender la turbulencia, un patrón de flujo complejo e irregular que a menudo ocurre a altos números de Reynolds, es fundamental en física, ingeniería y estudios ambientales.

¿Qué es el número de Reynolds?

El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado para predecir patrones de flujo en varias condiciones de fluidos. Fue introducido por primera vez por Osborne Reynolds en 1883. El número de Reynolds se puede considerar como la relación entre las fuerzas inerciales (fuerzas relacionadas con la masa y velocidad del flujo) y las fuerzas viscosas (fuerzas debidas a la viscosidad del fluido).

Fórmula del número de Reynolds

La fórmula para calcular el número de Reynolds es:

Re = ρvL/μ

Donde:

  • Re es el número de Reynolds.
  • ρ (rho) es la densidad del fluido.
  • v es la velocidad del fluido.
  • L es una longitud característica (por ejemplo, el diámetro de la tubería).
  • μ es la viscosidad dinámica del fluido.

Alternativamente, usando la viscosidad cinemática ν (nu), la fórmula se puede reescribir como:

Re = vL/ν

Aquí, ν es la viscosidad cinemática que se define como ν = μ/ρ.

Comprendiendo los tipos de flujo con el número de Reynolds

Flujo laminar vs. flujo turbulento

Generalmente, el flujo de fluidos se puede clasificar en dos tipos principales:

1. Flujo laminar

El flujo laminar se caracteriza por un movimiento fluido suave y continuo en capas o líneas de corriente paralelas. En el flujo laminar, las partículas de fluido se mueven en líneas rectas y el flujo está altamente organizado. Este tipo de flujo ocurre a bajos números de Reynolds (típicamente Re < 2000).

2. Flujo turbulento

Por otro lado, el flujo turbulento se caracteriza por un movimiento fluido caótico, donde las fluctuaciones irregulares y la mezcla son prevalentes. Este flujo caótico ocurre a altos números de Reynolds (Re > 4000). En el flujo turbulento, hay vórtices y remolinos de varios tamaños y direcciones, resultando en patrones de flujo impredecibles.

Rango transicional

A números de Reynolds entre 2000 y 4000, el flujo puede transitar entre estados laminares y turbulentos. Este flujo transicional es sensible a varias perturbaciones y puede exhibir características de ambos tipos de flujo bajo diferentes condiciones.

flujo laminar Estados transicionales flujo turbulento

Ejemplos reales del número de Reynolds

Ejemplo 1: Flujo en una tubería

Considere agua fluyendo a través de una tubería circular. El diámetro interno de la tubería es de 0.1 m y la velocidad del agua es de 1 m por segundo. La densidad del agua es de aproximadamente 1000 kg/m³ y su viscosidad dinámica es de 0.001 kg/m s.

El número de Reynolds se puede calcular sustituyendo los valores relevantes en la siguiente fórmula:

Re = (ρvL)/μ = (1000 kg/m³ * 1 m/s * 0.1 m) / 0.001 kg/m·s

Re = 100,000

Esto muestra que el flujo es turbulento.

Ejemplo 2: Aire sobre el ala

Durante el vuelo, el aire fluye sobre las alas de un avión. Considere un perfil aerodinámico con una longitud de cuerda típica de 1.5 m. En un día típico, la densidad del aire es de aproximadamente 1.225 kg/m³ y la velocidad es de 50 m/s.

Usando una viscosidad dinámica de aproximadamente 0.0000181 kg/m·s para el aire, el número de Reynolds es:

Re = (ρvL)/μ = (1.225 kg/m³ * 50 m/s * 1.5 m) / 0.0000181 kg/m·s

Re es de aproximadamente 5 millones, lo que confirma que el flujo es turbulento.

Entendiendo la turbulencia

Características del flujo turbulento

Los flujos turbulentos son menos predecibles y más caóticos que los flujos laminares. Se caracterizan por fluctuaciones de velocidad, alta difusión de momento y mezcla mejorada. El análisis de esta complejidad a menudo requiere métodos estadísticos o dinámica de fluidos computacional.

Importancia de la turbulencia

A pesar de su naturaleza caótica, la turbulencia es esencial para muchos procesos naturales e industriales. Mejora la mezcla de fluidos, mejora la transferencia de calor y masa, y es importante para comprender fenómenos ambientales y aplicaciones de ingeniería como la aerodinámica de vehículos y el diseño de aeronaves.

Visualización de la turbulencia

Ejemplos de flujo turbulento

Conclusión

El número de Reynolds es una métrica adimensional importante en la mecánica de fluidos, proporcionando información sobre la naturaleza del flujo, ya sea laminar, turbulento o transicional. Entender y calcular el número de Reynolds nos permite predecir el comportamiento de los fluidos en una variedad de condiciones, lo que impacta en el diseño, la investigación y el avance tecnológico en una variedad de campos. La turbulencia, aunque compleja y a veces difícil de predecir, juega un papel clave en la dinámica de fluidos, mejorando la mezcla y disipación de energía en procesos naturales e ingenierizados.


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