Más sobre Venturi: Efecto suelo

Hola de nuevo a todos, apreciados colegas y amigos de STEEMIT. En el Capítulo anterior de “La Física es divertida”, conversamos sobre uno de los efectos físicos más relevantes en nuestras vidas cotidianas, pero que al mismo tiempo no lo percibimos: el Efecto Venturi.

Mostramos de manera simple su fenomenología, y demostramos que el efecto solo se activa a partir de cierta distancia, la cual llamamos “distancia crítica”. Además también obtuvimos tanto experimental como teóricamente la importancia de la masa de los objetos en el efecto Venturi.

Los Capítulos anteriores de la serie la puedes revisar 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

https://steemit.com/stem-espanol/@jfermin70/la-fisica-es-divertida-parte-5

…¿Quién no se ha preguntado porqué un carro de Fórmula 1 no se separa del suelo, aún a altas velocidades?... …¿Si los objetos son más pesados se aferran más al suelo?

Estas cuestiones quedaron abiertas en el Capítulo 5. Estas cuestiones están relacionadas con otro fenómeno co-lateral: el famoso efecto suelo. En esta ocasión les presento el Capítulo 6 de “La Física es divertida”, donde intentaremos dar respuesta a estas preguntas, utilizando las herramientas propias de este proyecto: las herramientas gráficas y de visualización. Con “La Física es Divertida” aprenderemos a resolver estas y otras incógnitas de la vida cotidiana.

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

Como consecuencia del efecto del principio de Bernoulli y el 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. La misma succión ocurre cuando el vehículo pasa muy cerca de una pared a alta velocidad y se denomina succión lateral.

El efecto suelo es la base fundamental de la industria aeronáutica, y fue percibido en los años 1920 cuando los pilotos de aeroplanos notaron que sus naves se estabilizaban a medida que se aproximaban a la pista de aterrizaje a altas velocidades. Hasta llegados los 60´s, todo el esfuerzo en desarrollar tecnologías basadas en el efecto suelo, se centró en la industria de la aviación. No fue sino hasta esa década que la tecnología existente se incorporó paulatinamente en el diseño de naves acuáticas de alta velocidad.

A inicios de la década de 1970, se presenta el primer vehículo de carreras con dispositivos de alta estabilidad basados en un concepto que se denominó “fuerza descendiente”. La fuerza descendiente es la fuerza de succión producida por el efecto Venturi, y es proporcional al gradiente de presión ΔP=P₀-P₁, donde P₀ es la presión del aire encima del vehículo y P₁ la presión del aire debajo del mismo. El efecto suelo experimentó un avance impresionante durante los años venideros y es actualmente la base de la tecnología en vehículo de F1. Sin embargo, esta fuerza descendente debe ser controlada por otros dispositivos y sensores que garanticen la seguridad del piloto. La Figura 1 muestra una simplificación gráfica del efecto suelo en un vehículo automotriz.

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Figura 1. Efecto Venturi entre un vehículo en movimiento y el suelo. Se produce una succión que crea el efecto de una fuerza de succión llamada fuerza descendente. Esto se denomina efecto suelo. (Diseño original del Autor. El vehículo de modelo es un prototipo original de la serie MATCH-BOX también propiedad del Autor).

Un fenómeno similar al efecto suelo es el observado cuando un vehículo a alta velocidad se aproxima a muy corta distancia de una pared: la pared “succiona” al vehículo, produciendo una colisión. A esto se le denomina “fuerza lateral” o “succión lateral”. Su fenomenología es idéntica al problema de las dos latas que se atraen por gradiente de presión, y que fue estudiado en el Capítulo 5 de esta serie. El video 3 les presenta una demostración propia de “La Física es Divertida”.

Experimento: el efecto suelo

Materiales

- Papel bond (suficiente)

- Revista/folletos (varios)

- Regla

- Balanza de cocina

- Un pitillo

- latas de refresco (varias)

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Figura 2. Materiales básicos usados en las demostraciones del efecto suelo (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels).

Procedimiento

En las demostraciones a continuación controlaremos dos variables básicas: a) masa; b) altura desde suelo. Sigue las siguientes instrucciones:

Coloca una hoja de papel sobre la superficie de dos torres de revistas de altura 8 cm, separados una distancia prudente sin que el papel se doble por efecto de gravedad (12 cm). Sopla ligeramente con el pitillo a través del área transversal entre el papel y la superficie de la mesa.

…¿Qué esperas ocurra?...

…¿puedes explicar lo que observas?...

Si dejas de soplar ¿el papel regresa a su posición inicial? ¿Puedes explicarlo?

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Figura 3. Simulación del efecto suelo con una hoja de papel. Observa como el papel se dobla hacia abajo, como en presencia de una fuerza de atracción. Esta fuerza se llama fuerza descendente (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels).

Repite el procedimiento anterior pero aumentando progresivamente la cantidad de papel. Para cuantificar tus resultados pesa el papel en tu balanza. Probablemente tu balanza no posee la sensibilidad necesaria como para pesar una hoja de papel. Pero piensa en un plan B. Coloca un soporte rígido sobre la balanza (cartulina o carpeta marrón). Esto evita que el papel se doble al pesarlo. Calibra la balanza en “cero”. Ahora coloca sobre la carpeta uno a uno el papel hasta obtener una lectura aceptable. Por ejemplo, para nuestro experimento consideramos como lectura aceptable 100 grs. Anota el valor medido (en gramos) y cuenta el número de hojas usadas. La masa promedio de una hoja de papel lo determinas mediante la fórmula:

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El resultado será más confiable, cuanto mayor sea la masa medida. Utilizando este método obtuve que una hoja de papel bond-carta tiene una masa aproximada de 3.125 gr (100 gr/32 hojas) (ver Figura 4).

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Figura 4. Medición de la masa de una hoja de papel bond-carta en una balanza de cocina. (Fotografía propiedad del Autor: tomada con una cámara digital CASIO Exilim 12.1 Mega Pixels. La masa se midió en una balanza de cocina marca Magefesa).

Ahora prepara torres de revistas de 8 cm de altura. Manteniendo el flujo de aire lo más continuo posible, repite el paso # 1 pero incrementando la cantidad de papel (1 hoja, 2 hojas, 3 hojas, 4 hojas,…). Mide la distancia a la superficie de la mesa al centro del papel y anota el valor en una tabla de datos.

… ¿qué ocurre al aumenta la cantidad de papel?...

… ¿qué relación existe entre la distancia y la masa?...

Haz un gráfico “distancia vs. masa” e interprétalo.

Explicación

Cuando el aire fluye a través del espacio entre el papel y la superficie de la mesa, el papel es absorbido hacia abajo. El gradiente de presión resultante es mayor que el peso del papel. Esto es un resultado del efecto Venturi. Lo mismo ocurre en los autos de carrera, el suelo succiona al vehículo ofreciendo mayor estabilidad mecánica. A medida que aumentamos la distancia papel-mesa, el papel es succionado hacia abajo, sin embargo, al dejar de soplar, el papel retorna a su posición horizontal. Veamos porqué…

Tenemos dos condiciones de equilibrio: (a) inicialmente el flujo no es suficiente para succionar el papel, debido a que la presión en cada cara del papel es igual a la presión atmosférica P₀, de tal manera que el gradiente de presión ΔP=0 y no hay succión hacia abajo. Por eso cuando dejamos de soplar, el papel regresa a su posición inicial; (b) la segunda condición de equilibrio se establece cuando el flujo de aire que circula debajo de la superficie del papel es continuo. De acuerdo con el efecto Venturi, la presión por debajo es menor que la presión atmosférica y tendremos un gradiente de presión ΔP=P₀-P₁ que succiona el papel hacia abajo con una fuerza descendiente o “down-force” ΔPA_S, donde A_S=Ld es el área de succión.

Pero no puedo dejar de hablar del efecto suelo sin cuantificar el parámetro más importante del efecto suelo: la altura desde el suelo. Comúnmente utilizamos los diagramas de fuerza de cuerpo libre para describir el comportamiento de un sistema mecánico. Sin embargo, en ocasiones es más útil describir el sistema mediante el principio de conservación de la energía, tal como muestro en la Figura 5. Las zonas sombreadas (verde, naranja) corresponden a las áreas transversales que atraviesa el flujo de aire. Así pues la energía mecánica es solo potencial:

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Por otro lado, cuando el flujo de aire alcanza una velocidad constante, el sistema se estabiliza en un estado de equilibrio, cuya energía mecánica es,

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donde “y” es la altura desde el suelo y V el volumen encerrado por el papel y el suelo. El volumen encerrado es aproximadamente igual al doble del área del trapecio (triángulo naranja + rectángulo verde) multiplicado por la longitud del papel (L). Siguiendo la geometría esquematizada en la Figura 5, tenemos que:

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Aplicando el principio de conservación de la energía E₀ = E₁, obtenemos que los estados de equilibrio están conectados mediante la relación,

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Sustituyendo el volumen (3) en la relación (4), y despejando la variable “y”, tenemos:

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Pudieramos pensar que cuanto más pesado el objeto, más cerca estará del suelo, sin embargo, este resultado se opone a toda lógica: la distancia al suelo disminuye a medida que la masa disminuye, a partir de cierta masa crítica, M_C, en la cual ΔP=0. Otro resultado interesante derivado de la ecuación (5) es la condición de máxima succión (y = 0), es decir,

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Esta es la fuerza descendente o “down-force” máxima. En otras palabras, un objeto de masa 500 gr, sometido al efecto suelo, sentirá una fuerza de succión equivalente a 1 Ton. Esto explica razonablemente los resultados de nuestro experimento de efecto suelo, y están registrados en la Figura 6. La línea continua es un ajuste con la ecuación,

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Si d=12 cm y L=21.6 cm, obtenemos que el gradiente de presión es

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Observamos también que la altura no varía a partir de 21 grs, indicando que en este valor crítico el gradiente de presión se anula.

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Figura 5. Diagrama para describir el efecto suelo. (a) Condición inicial; (b) condición de equilibrio con flujo de aire constante. La distancia al suelo (y) es función de la masa del objeto y del gradiente de presión (Figura propiedad del Autor).

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Figura 6. Resultados experimentales del efecto suelo en papel (Figura propiedad del Autor. Datos propios. Gráfica y Tabla diseñadas en ORIGIN 8.0).

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

https://youtu.be/NaRRtVnKxBk

https://youtu.be/W7qd28uZnDU

https://youtu.be/aC3Re_rBy0E

Comentarios finales

En este nuevo Capítulo de “La Física es Divertida” aprendimos otro caso curioso consecuencia del Efecto Venturi: el Efecto Suelo. Este fenómeno, a pesar que puede atentar contra la razón, es de importancia tecnológica y es la base de toda la tecnología aeronáutica. Con experimentos sencillos les mostré que el efecto suelo depende de la masa del objeto y del gradiente de presión, y satisface la relación (5),

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Comparando esta ecuación con los datos experimentales, podemos determinar el gradiente de presión, masa crítica, entre otros parámetros. El efecto es más intenso cuando la masa disminuye a partir de cierta masa crítica. Además se mostró que la fuerza descendente que actúa sobre el objeto puede alcanzar hasta 2 “fuerzas-g”.

Finalmente, quiero resaltar que el error en los datos experimentales presentados aquí son grandes y sensibles a la experimentación, debido a que los instrumentos de medida empleados son de uso casero y de muy poca resolución. Así mismo, nuestros objetos de prueba son materiales caseros y reciclables, lo que afecta la exactitud de los resultados. Aún así, es posible obtener una representación razonable del fenómeno físico. Finalmente, 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 compresión 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.

…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

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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).