Bernoulli
12 dic, 2011
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PDFSopla y junta
PRESENTACIÓN: Dos pelotas o globos próximos pueden oscilar pendularmente cuando en el espacio de separación entre ellos se introduce un flujo de aire con una velocidad mayor que el aire circundante. La correspondiente menor presión en el espacio intermedio, respecto a la presión atmosférica del entorno, hace que las pelotas o los globos se aproximen entre si.
- A Bernoulli’s Law Lab in a Bottle, David Guerra, Aaron Plaisted, and, Michael Smith, Phys. Teach. 43, 456 (2005)
- Bernoulli’s law and aerodynamic lifting force, Klaus Weltner, Phys. Teach. 28, 84 (1990)
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24 responses to "Bernoulli"
Esta demostración me parece muy buena, lo de las latas he tenido que hacerlo en casa, no cabía en mi cabeza que las latas al soplarse se acercasen…. y me pregunto yo, ¿ también se produce el efecto de Bernoulli cuando adelantas a un camión en la autovía o cuando estás esperando en el borde de la acera y pasa un coche rápido y parece que te lleva hacia la carretera en lugar de lanzarte hacia atrás?
Un efecto similar en los barcos que está bastante bien documentado en este enlace de la Universidad de Houston
Efectivamente, el principio de Bernoulli está detrás de este fenómeno. En este manual que he encontrado lo citan: “También el principio de Bernoulli explica por qué los camiones que pasan cercanamente en una carretera se atraen entre sí y por qué los barcos que pasan unos junto a otros corren el riesgo de chocar de lado”.
Además, este manual es muy interesante, y está lleno de ejemplos gráficos, explicaciones sobre cómo funcionan objetos cotidianos, ejercicios y experiencias para realizar en el aula.
Haciendo el trabajo de búsqueda en Youtube estuve buscando vídeos del efecto Bernoulli y acabé encontrando un vídeo, del estilo de los que aquí se proponen, que también me parece muy explicativo de esto.
Este experimento es sencillo y barato de realizar. Además con la supervisión de un adulto lo pueden realizar los alumnos en casa. Es muy sorprendente y divertido. Y se puede relacionar con la vida real, ya que esta presente en múltiples fenómenos, aunque no siempre en solitario. Muchas veces hay que tener en cuenta otros factores. Así es el caso de la cortina de la ducha, que se puede explicar con bernuilli, con el electo chimenea, con el efecto coanda, vortidad. Esto es interesante, ya que los alumnos se dan cuenta que un mismo fenómeno se puede explicar de varias formas y no siempre existe una teoría completa para explicar un fenómeno.
Daniel Bernoulli fue la primera persona en desarrollar una teoría con su fórmula matemática para mostrar la relación entre la velocidad y la presión de un fluido: cuando la velocidad del flujo aumenta, la presión disminuye, y cuando la velocidad disminuye, la presión aumenta.
Esto fue un descubrimiento muy importante, especialmente en el sector aeronáutico. Los diseñadores comenzaron a experimentar con el vuelo diseñando nuevos perfiles aerodinámicos utilizando el teorema de Bernoulli. El teorema muestra cómo se crea la sustentación cuando una corriente aérea pasa sobre una ala. Esta aportación fue crucial y sigue siendo requerida actualmente para hacer el vuelo posible, aunque no es el fenómeno implicado más relevante en aeronaútica.
Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más constante y elevada a mayores alturas. Cuanto más rápidamente sopla el viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.
Otro experimento similar en el que también se muestra el principio de la ley de Bernoulli es el siguiente.
Como ya comentaron anteriormente uno de los fenómenos en los que participa el Principio de Bernoulli es en el funcionamiento de una chimenea. Esto puede ser observardo en el siguiente experimento en el que se simula el funcionamiento de una chimenea empleando un tarro de cristal, una pelota, un tubo de plástico, tres gomas y un secador.
Continuando con el tema abierto por Carlos L. me gustaría añadir lo siguiente a lo ya dicho por él:
¿Cómo es posible que los aviones, esas cosas tan grandes y pesadas vuelen?
¿Nunca se preguntaron por qué los aviones tienen que tomar velocidad en la pista antes de despegar?
¿Por qué un portaaviones ha de ponerse contra el viento cuando despegan los aviones?
¿Por qué es muy difícil que un avión que entra en barrena recupere el vuelo sin llegar a estrellarse?
¿Alguna vez se han preguntado por qué los aviones antiguos tenían varias alas superpuestas?
¿Puede un avión volar al revés como hace Tom Cruise en la película Top Gun?
Si quieren saber más, saber cómo funciona una parte del mundo… no se pierdan el interesantísimo artículo del profesor de física, Arturo Quirantes: Capitán Bernoulli, a la cubierta de vuelo.
Las ecuaciones de Bernoulli son unas de las que se tienen en cuenta cuando se quiere modelar el transporte de sedimento, precisamente por la reducción de presión que se produce. Si nos imaginamos un flujo de agua sobre un fondo plano en el momento en que este encuentre un obstáculo, por ejemplo, una grava apoyada en el fondo, el flujo se comprime, el fluido se acelera y se produce una reducción de la presión justo encima de esta grava. Esta reducción de la presión es una de las fuerzas que ayudan a movilizar el sedimento y que esté se transporte en el seno de los fluidos.
El principio de Bernoulli tiene mucha física y matemática detrás, tratando temas complejos y confusos como la densidad o presión en los fluidos, sin embargo, es un principio físico muy fácilmente demostrable en el aula, y con infinidad de utilidades en tecnología. Sin duda, es muy útil enseñar al alumnado este tipo de conceptos con experimentos para alimentar su interés y participación, e incluso retarlos a que encuentren usos y consecuencias de dicho principio, ejercicio que se me antoja enriquecedor. En esta página se muestra un ejercicio resuelto por la ecuación de Bernoulli, pero sin alentar el interés y la imaginación de los estudiantes.
Me parece que el ejemplo de los aviones expuesto en algunos comentarios es muy apropiado para este fenómeno. El fundamento observado en los videos de este post es en parte el mismo que explica el vuelo de los aviones. El perfil del ala de un avión es más largo por la zona superior, por estar curvada. De ese modo, el aire que pasa por arriba del ala tiene que recorrer una mayor distancia que el aire que pasa por abajo, por lo cual la presión o empuje del aire en la zona inferior es mayor que en la zona superior, provocando la sustentación del avión.
Un experimento realmente parecido a este lo había realizado para la asignatura de Física en la carrera. En mi caso había sido con una pelota de ping-pong, pegada a un hilo con cinta aislante, la cual se posicionaba bajo una corriente de agua de un grifo, y una vez ahí, parecía mantenerse en un punto de equilibrio en el centro de la corriente de agua, incluso moviendo ligeramente el hilo hacia los lados. Lo que sucedía era lo mismo que muestran en experimento, pero con la variante del agua. En este caso la presión lateral del aire en movimiento es menor que la del aire inmóvil que lo rodea, por eso la pelota parece estar como atrapada en la corriente de agua. Este concepto se explica claramente en esta web, donde además de la explicación incluye un vídeo con la demostración.
El principio de Bernouilli tiene aplicaciones a nivel práctico en el campo de la ingeniería también, ya que es en el que se basa el diseño de las alas de los aviones para conseguir su sustentación o el diseño de los alerones de los coches de formula 1 para crear efecto suelo. En el siguiente vídeo Toni Cuquerella, director técnico del desaparecido equipo español de Fórmula 1 HR Team, nos explica de forma sencilla el principio de Bernouilli, partiendo del experimento con un secador, una pelota y un rollo de papel higiénico, para terminar explicando su aplicación en los aviones y en los coches de Fórmula 1.
Vexo moitos comentarios con respecto os avións, pero hai un artigo do ano 2020 que fala sobre o tema, no cal se comenta que isto non explica por qué os avións con alas planas se manteñen no aire, incluso cando están do revés.
Aunque el experimento resulta sencillo y visual, este principio es una de los pilares de la teoría de fluidos y de la aeronáutica. En el siguiente blog he encontrado un resumen de la explicación de este efecto que puede resultar de utilidad. En este mismo enlace, se hace mención a la ley de la continuidad de masa en los fluídos, que es complementaria al principio de Bernouilli, por la que la misma cantidad de masa que entra en una sección, sale de la sección. Según la ley de continuidad, el caudal en la sección ancha será el mismo que el caudal en la sección estrecha, y para que exista el mismo flujo por unidad de tiempo, la velocidad en la sección estrecha será mayor.
La ecuación de Bernoulli es fundamental para la teoría de dinámica de fluidos. Con el empleo de esta y otra ecuaciones los ingenieros son capaces de diseñar las instalaciones industriales, conociendo las longitudes y radios de las tuberías a utilizar, las presiones necesarias a vencer y el tamaño de los equipos industriales necesarios. En el enlace que adjunto se explica de forma detallada su uso para este fin, presentándose además un par de ejemplos explicados de forma muy clara.
Cuando hacemos un experimento debemos asegurarnos qué explican correctamente el principio como es este caso. Con principio de Bernoulli existe demostraciones comunes en el aula que a veces lo explican incorrectamente. Una consiste en sostener un pedazo de papel horizontalmente para que caiga hacia abajo y luego soplar sobre su parte superior. Cuando el demostrador sopla sobre el papel, el papel se eleva. Luego se afirma que esto se debe a que «el aire en movimiento más rápido tiene una presión más baja» pero existen varios problemas en esto. Podéis leer más sobre ello en el siguiente enlace.
Isto mesmo é a forma de xerar sonido dos instrumentos de vento. Por exemplo, cando soplamos pola boquilla do saxofón a presión entre a caña e a boquilla disminue polo efecto Bernoulli chegando a xuntar a caña ca boquilla e impedindo o paso da corrente de aire. Cando isto sucede volve a aumentar a presión e a caña sepárase da boquilla e así sucesivamente logrando a vibración da caña e a producción de sonido.
Una forma fantástica de acercar el efecto Bernoulli al alumnado, un fenómeno científico que está detrás de algo muy cotidiano que nos afecta a todos: la fonación de nuestra voz. Las cuerdas vocales, pliegues situados en la base de la laringe, actuan como vibrador o «lengüeta» durante la fonación. Abiertos durante la respiración, estos pliegues se cierran por el volteo de los cartílagos aritenoides para hablar o cantar. La presión positiva del aire de los pulmones los obliga a abrirse momentáneamente, pero el aire a alta velocidad produce una depresión por el efecto Bernoulli que los vuelve a unir. En este vídeo explicativo lo resumen muy bien.
Ambas demostraciones del principio de Bernoulli me parecen buenísimas para mostrar en clase y sorprender al alumnado, pues a priori parece que van en contra del sentido común. Otra demostración impactante de este efecto es intentar llenar con un solo soplido una bolsa de plástico en forma de tubo. En un primer intento, se probaría a llenar la bolsa pegando la boca en su extremo, concluyendo que necesitaríamos demasiados soplidos para llenarla. Después, haríamos uso del efecto Bernoulli alejándonos del orificio y soplando. De esta forma, el desplazamiento de aire a través de la bolsa disminuye la presión del aire en su interior, moviendo el aire del exterior hacia el interior de la bolsa por diferencia de presión. Para concluir, un ejemplo de cómo experimentamos el efecto Bernoulli en la vida cotidiana es cuando se nos pega la cortina de la ducha al cuerpo cuando nos duchamos. El agua que sale del cabezal de la ducha hace que el aire a través del que se desplaza fluya en la misma dirección. Este desplazamiento disminuye la presión del aire dentro de la ducha, haciendo que la cortina se mueva hacia adentro y se nos quede pegada.
Siempre me pregunté por qué, al pasar por un corredor, siempre se sentía más frío o viento que fuera de él aun estando afuera. No fue hasta que vi este vídeo que se me ocurrió que podría ser por el principio de Bernoulli. Al pasar el aire por una constricción, aumenta su velocidad, produciendo el efecto Venturi, un ejemplo del principio de Bernoulli. Entrando en este foro veo que existen casos famosos de este efecto en corredores, en concreto entre las torres gemelas de Nueva York y el Hawa Mahal que aprovecha de este efecto para combatir las temperaturas extremas del verano en la ciudad indú de Jaipur.
¿Cómo se aplica el principio de Bernoulli en la estenosis de la carótida? En un fluido en movimiento, cuando la velocidad aumenta, la presión disminuye, y viceversa. En el contexto del eje carotídeo por ejemplo, si una zona de la arteria está estrechada, la sangre debe aumentar su velocidad para mantener un flujo constante de sangre a través de esta zona. En la carótida interna las velocidades ≥125cm/s (entre 125-230cm/s) condicionan estenosis de entre 50%-70%. Este aumento de la velocidad provoca una disminución de la presión en esa área. En los estudios de ecografía Doppler, el principio de Bernoulli se utiliza para calcular el gradiente de presión entre dos puntos de la arteria, ayudándonos a los médicos a evaluar la severidad de la estenosis, ya que una mayor diferencia de presión suele indicar una estenosis más grave.