El efecto Venturi:
Fuerzas de atracción

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Hola de nuevo a todos, apreciados colegas y amigos de STEEMIT. En el artículo anterior de “La Física es divertida”, les mostré cómo y porqué las columnas cilíndricas son más resistentes a la carga física, independientemente de la resistencia intrínseca del material. También observamos que la relación carga x área transversal es una curva aproximadamente lineal, cuya pendiente es proporcional al coeficiente de rigidez de material. Por si te los perdiste, puedes leerlos en:

https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida-parte-1

https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida

https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida-parte-3

https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida-parte-4

El presente es el Capítulo 5 de “La Física es divertida”, donde conversaremos sobre uno de los efectos físicos más comunes en nuestra vida cotidiana, pero no prestamos atención, y si lo vemos no lo comprendemos: el efecto Venturi. Nos hacemos la siguiente interrogante:

…¿Es posible que dos objetos se atraigan en ausencia de fuerzas de atracción?...

Intentaré responder esta incógnita de la manera característica de La Física Divertida, utilizando las herramientas gráficas y videos caseros.

Con la finalidad de hacer este proyecto más interactivo, les agradezco dejarme sus inquietudes y preguntas en un REPLAY, y así darles respuesta. Para más información sobre este tema y otros relacionados con Ciencia, Física y Tecnología, les invito visitar mis sitios:

https://luz.academia.edu/JoseFermin

https://www.researchgate.net/profile/Jose_Fermin

* Todo el material presentado en este trabajo es original y propiedad del Autor.

Introducción

El efecto Venturi fue reportado por primera vez por Giovanni Venturi en 1797 y es uno de los fenómenos naturales más cotidianos, pero al mismo tiempo poco conocido. Diversidad de máquinas y dispositivos, tales como sistemas de bombeo, el ventilador o el difusor de tu vehículo, sistemas de carburación, dispositivos de drenaje, entre otros, basan su funcionamiento en el efecto Venturi. Es una consecuencia del Principio de Bernoulli y la Ecuación de continuidad para flujos continuos,

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donde

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y establece que:

“Si un fluido se desplaza con flujo constante a través de la sección transversal de un canal, su velocidad aumenta cuando el área transversal del canal disminuye, y como consecuencia se produce una región de baja presión”. En la Figura 1 muestro un esquema simplificado del proceso.

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Figura 1. Esquema simplificado del efecto Venturi (Figura propiedad del Autor)

El mismo efecto de atracción también se observa cuando una corriente de aire circula entre dos objetos cercanos (esferas, cilíndros). El aire entre los objetos produce una región de baja presión con respecto a la presión atmosférica, y como resultado un gradiente de presión que atrae los cuerpos (ver Figura 2)

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Figura 2. Efecto Venturi entre dos objetos cercanos. Un gradiente de presión produce una succión que crea el efecto aparente de una fuerza de atracción. (Figura propiedad del Autor)

Como consecuencia del efecto Venturi, si un vehículo se desplaza a alta velocidad con respecto al suelo, el aire que se introduce debajo del carro aumenta su velocidad y disminuye la presión con respecto a la presión externa. Esto genera un gradiente de presión que succiona el vehículo hacia el suelo. Este fenómeno puede confundirse con una fuerza de atracción clásica y se denomina efecto suelo y será abordado en un próximo artículo.

Experimentos: fuerzas de atracción

En esta sección les mostraré cómo atraer objetos sin fuerzas eléctricas, magnéticas o gravitatorias. Para esto utilizaremos los materiales más comunes que se pueden encontrar una casa: papel, frascos de vidrio, envases plásticos, latas de refresco, etc.

Materiales

-2 latas de refresco (355 cm3)

- 2 botellas de vidrio con sus tapas (350 cm3)

- 2 botellas de vidrio con sus tapas (750 cm3)

- 2 botellas de vidrio con sus tapas(1000 cm3)

- Una balanza de cocina

- Un pitillo

- Un envase ancho con agua

- Una regla o cinta métrica

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Figura 3. Materiales básicos usados en las demostraciones de este artículo (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels).

Procedimiento

Las demostraciones que les propongo en este trabajo son muy sencillas y no requieren de recetas ni montajes especiales. A continuación los pasos más importantes para realizar las demostraciones sugeridas:

1. Para cuantificar tus resultados primero pesa en tu balanza una lata refresco y las botellas de vidrio y luego anota el resultado. En nuestro caso obtuvimos la siguiente tabla de datos:

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Tabla 1. Masa en gramos de cada uno de los envases utilizados en esta demostración (Datos obtenidos por el Autor utilizando una balanza de cocina Magefesa).

2. Con ayuda de una regla o cinta métrica, coloca primero las latas en posición paralela una distancia de 15 cm, 10, 8, 6, 5, 4, etc, y sopla a través del pitillo. Como se muestra en la secuencia fotográfica de la Figura 4. Observa lo que ocurre en cada caso. Anota el valor de la distancia a la cual las latas se atraen. Esta es la “Distancia Crítica”. .

3. Repite el proceso con las botellas de vidrio. ¿Notas alguna diferencia con respecto a las latas?

4. Haz un gráfico “Distancia Crítica” vs. “Masa”. Interprétalo.

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Figura 4. Experimento del efecto Venturi con dos latas de refresco. Se observa el efecto aparente de una fuerza de atracción (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels).

Explicación

Lo que ocurre cuando el aire fluye a través del espacio entre dos objetos, es que estos se atraen. Esto es debido al efecto Venturi. Como resultado del efecto Venturi, se produce un gradiente entre la presión atmosférica y la presión interna y los objetos son succionados hacia adentro, creando un efecto similar al de una fuerza de atracción.

Esta “fuerza de atracción”, sin embargo, no es una fuerza de contacto convencional desde el punto de vista clásico, según el cual, todas las fuerzas de la naturaleza tienen origen:

a) Electromagnético,

b) Gravitacional,

c) Nuclear (fuerte),

d) Nuclear (débil)

…Por eso la denominaremos “fuerza aparente”…

Ahora bien, también mostramos que el efecto Venturi solo ocurre cuando la distancia entre los objetos alcanza un valor crítico. A esta distancia la hemos denominado “Distancia Crítica”, y depende de la masa de los objetos. Parece extraño, ya que el efecto no es gravitacional. Veamos. Para comprender este fenómeno, recurramos al diagrama de fuerzas (ver Figura 5). Las fuerzas resultantes para uno de los objetos es:

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donde la fricción viene dada por la expresión de costumbre

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La distancia que se desplaza el objeto una vez alcanzadas las condiciones apropiadas es:

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Combinando las ecuaciones (3)-(4)-(5)-(6), se obtiene que la distancia recorrida en el tiempo Δt es:

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y distancia crítica 2x, dada por:

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Fenomenológicamente podemos re-escribir esta expresión como

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siendo B=ΔpΔt²A y C=μgΔt² constantes del sistema. Es decir, la distancia crítica para observar el efecto Venturi entre dos objetos de masa M es inversamente proporcional a su masa. Una vez obtenidos los datos experimentales, la ecuación (9) puede ajustarse para encontrar los valores de B y C, y con ello, parámetros tales como el gradiente de presión Δp y el coeficiente de fricción μ.

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Figura 5. Diagrama de fuerzas para dos objetos bajo el efecto Venturi (Figura propiedad del Autor).

Los resultados del experimento con latas de refresco y botellas de vidrio se resumen en la Tabla 2, y en el Gráfico de la Figura 6.

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Tabla 2. DISTANCIA CRÍTICA vs. MASA-1, obtenido del experimento con latas, frascos y botellas de vidrio (Datos obtenidos por el Autor).

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Figura 6. Gráfico DISTANCIA CRÍTICA vs. MASA-1, obtenido del experimento con latas, frascos y botellas de vidrio (Datos obtenidos por el Autor. Gráfico realizado con el paquete ORIGIN 8.0).

Observen que dentro del error experimental la ecuación (9) se aproxima bastante a los datos experimentales. En nuestro caso, en los objetos más pesados el efecto se observa a partir de aproximadamente 1 cm. Mientras que en las latas se observa a partir de 5 cm. Esto demuestra porqué estas “fuerzas de atracción aparentes” generadas por el efecto Venturi no son percibidas fácilmente.

Como herramienta complementaria les invito a ver los videos a continuación. Espero les guste.

https://youtu.be/RInwuWt4SI0

https://youtu.be/byNEu5orzyY

Comentarios finales

En este Capítulo de “La Física es Divertida” les he mostrado como el “efecto Venturi” puede aparecer a diario en nuestra cotidianidad y sin embargo siempre sorprendernos. Una de esas sorpresas brinda la posibilidad de atraer objetos sin utilizar fuerzas de contacto, magnéticas, gravitacionales, etc. Sino simplemente mediante un gradiente de presión. A este fenómeno lo hemos llamado “fuerza de atracción aparente”, ya que no pertenece estrictamente a ninguna de las fuerzas establecidas en la física clásica.

Mostramos evidencia experimental y teórica que estas “fuerzas aparentes” dependen de la masa de los cuerpos involucrados, y solo se observan a partir de cierta distancia crítica:

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donde M es la masa de los objetos. En cuerpos relativamente grandes el efecto de “atracción aparente” es imperceptible a la vista común, pero en los casos de objetos pequeños el fenómeno se hace evidente bajo ciertas condiciones.

Finalmente, quiero puntualizar que los datos presentados aquí son cuantivamente sensibles a la experimentación. Esto es debido a que los instrumentos de medida empleados son de uso casero y de muy poca resolución. Así mismo, nuestras muestras son materiales caseros y reciclables, lo que puede afectar la exactitud de los resultados. Sin embargo, el objetivo de los experimentos es generar resultados fenomenológicos realistas que puedan ser llevados al aula. En este sentido, es recomendable repetir las experiencias una y otra vez, hasta que el estudiante logre la comprensión cuantitativa de los fenómenos físicos aquí presentados.

Espero que hayan disfrutado de este trabajo y que les sea de utilidad para sus conocimientos integrales y en sus cursos formales de la física e ingeniería.

https://cdn.steemitimages.com/DQmdLYtnjaNoD4KMtHj3L4yJa9KC3Qq17k5DB2yXQnFwq9A/CIMG4391.JPG …Con imaginación y física básica podrán cambiar el mundo… … Hasta el próximo encuentro con la FISICA ES DIVERTIDA…

Recuerden dejarme sus comentarios y preguntas en un REPLAY

Lecturas sugeridas sobre física divertida y otras curiosidades de física:

1. Neil Ardley, 101 grandes experimentos. La ciencia paso a paso (Ediciones B, 1997).

2. Isabel Amato y Christian Arnould, 80 experimentos para hacer en casa. Respuestas a los curiosos (Ediciones B, Barcelona, 1992).

3. Fundación Thomas Alva Edison, Experimentos fáciles e increíbles (Martínez Roca, Barcelona, 1993).

4. Judith Hann, Guía práctica ilustrada para los amantes de la ciencia (Blume, Barcelona, 1981).

5. Antonella Meiani, El gran libro de los experimentos (San Pablo, Madrid, 2000).

6. Yakov I. Perelman, Física recreativa (Eds. Martínez Roca, Barcelona, 1971).

7. Yakov I. Perelman, Problemas y experimentos recreativos (Mir, Moscú, 1975).

8. Gaston Tissandier, Recreaciones científicas, o la física y la química sin aparatos de laboratorio y sólo por los juegos de la infancia (Alta Fulla, Barcelona, 1981).

9. Tom Tit, La ciencia divertida (José J. de Olañeta, Palma de Mallorca, 1992).

10. Alejandra Vallejo-Nágera, Ciencia mágica. Experimentos asombrosos para genios curiosos (Martínez Roca, Barcelona, 1999).

11. Janice P. Van Cleave, Física para niños y jóvenes. 101 experimentos super divertidos (Limusa, México, 1997).