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11.4: Otras aplicaciones

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    objetivos de aprendizaje

    • Predecir si el flujo será laminar o turbulento

    Es posible predecir si el flujo será laminar o turbulento. A baja velocidad, el flujo en un tubo muy liso o alrededor de un objeto liso y aerodinámico será laminar. A alta velocidad, incluso el flujo en un tubo liso o alrededor de un objeto liso experimentará turbulencia. Sin embargo, entre velocidad baja y alta, el flujo es más difícil de predecir. De hecho, a velocidades intermedias, el flujo puede oscilar de un lado a otro indefinidamente entre laminar y turbulento.

    Una oclusión (estrechamiento) de una arteria, tal como se muestra en, es probable que cause turbulencia debido a la irregularidad del bloqueo, así como a la complejidad de la sangre como líquido. La turbulencia en el sistema circulatorio (como aneurismas, o hinchamiento de las arterias) es ruidosa y a veces se puede detectar con un estetoscopio (como cuando se mide la presión diastólica en la arteria braquial parcialmente colapsada del brazo superior). Estos sonidos turbulentos, al inicio del flujo sanguíneo cuando la presión del manguito se vuelve suficientemente pequeña, se llaman sonidos Korotkoff. Los soplos cardíacos, consistentes con su nombre, son sonidos producidos por el flujo turbulento alrededor de válvulas cardíacas dañadas e insuficientemente cerradas. Otro método para detectar este tipo de turbulencias es el ultrasonido, utilizado como indicador médico en un proceso análogo al radar Doppler de desplazamiento (utilizado para detectar tormentas).

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    Flujo Turbulento en una Arteria: El flujo es laminar en la gran parte de este vaso sanguíneo y turbulento en la parte estrechada por la placa, donde la velocidad es alta. En la región de transición, el flujo puede oscilar caóticamente entre el flujo laminar y el flujo turbulento.

    La turbulencia se manifiesta en otras zonas, con diversas causas. Durante un vuelo de avión, por ejemplo, la turbulencia experimentada se debe a la mezcla de aire cálido y frío en la atmósfera, provocando que el avión se sacuda. Las corrientes mezcladas en los océanos crean un efecto similar.

    El fenómeno del flujo de aire turbulento debe tenerse en cuenta en muchas aplicaciones. Por ejemplo, los autos de carreras no pueden seguirse unos a otros en las curvas rápidas porque el automóvil líder crea un flujo de aire turbulento a su paso (esto puede conducir a una subdirección).

    Los equipos industriales, como tuberías, conductos e intercambiadores de calor a menudo están diseñados para inducir el régimen de flujo de interés (laminar o turbulento). Cuando el flujo es turbulento, las partículas exhiben un movimiento transversal adicional. Esto mejora la tasa de energía y el intercambio de impulso entre ellos, aumentando la transferencia de calor. Por lo tanto, el flujo turbulento es deseable en aplicaciones en las que se mezcla un fluido relativamente frío con un fluido más caliente para reducir la temperatura del fluido más caliente.

    Es imperativo tener en cuenta el flujo turbulento a la hora de diseñar ciertas estructuras, como un soporte de puente, como se muestra en. A finales del verano y el otoño, cuando el flujo del río es lento, el agua fluye suavemente alrededor de las patas de apoyo. En la primavera, cuando el flujo es más rápido, el flujo puede comenzar laminar pero se separa rápidamente de la pata y se vuelve turbulento. Los soportes del puente deben estar diseñados para que puedan soportar el flujo turbulento del agua en el manantial.

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    Puente Longtown: El flujo turbulento es visible alrededor de los soportes del puente del puente Longtown.

    Movimiento de un objeto en un campo viscoso

    Los objetos que se mueven en un fluido viscoso sienten una fuerza resistiva proporcional a la viscosidad del fluido.

    objetivos de aprendizaje

    • Evaluar la relación de los parámetros entre sí para determinar la inercia de un objeto que se mueve en fluido

    Visión general

    Un objeto en movimiento en un fluido viscoso es equivalente a un objeto estacionario en una corriente de fluido que fluye. (Por ejemplo, cuando montas una bicicleta a 10 m/s en aire quieto, sientes el aire en tu cara exactamente como si estuvieras parado con un viento de 10 m/s) El flujo del fluido estacionario alrededor de un objeto en movimiento puede ser laminar, turbulento o una combinación de los dos. Al igual que con el flujo en tubos, es posible predecir cuándo un objeto en movimiento crea turbulencia. Usamos otra forma del número de Reynolds N′R, definido para que un objeto que se mueve en un fluido sea

    \[\mathrm{N‘R=\dfrac{ρvL}{η}}\]

    donde L es una longitud característica del objeto (el diámetro de una esfera, por ejemplo), la densidad del fluido, su viscosidad y v la velocidad del objeto en el fluido. Si N′R es menor que aproximadamente 1, el flujo alrededor del objeto puede ser laminar, particularmente si el objeto tiene una forma suave. La transición a flujo turbulento ocurre para N′R entre 1 y aproximadamente 10, dependiendo de la rugosidad de la superficie y así sucesivamente. Dependiendo de la superficie, puede haber una estela turbulenta detrás del objeto con cierto flujo laminar sobre su superficie. Para un N′R entre 10 y 10^6, el flujo puede ser laminar o turbulento y puede oscilar entre los dos. Para N′R mayor que aproximadamente 10^6, el flujo es completamente turbulento, incluso en la superficie del objeto. (Ver.) El flujo laminar ocurre principalmente cuando los objetos en el líquido son pequeños, como gotas de lluvia, polen y células sanguíneas en el plasma.

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    Movimiento de un objeto en un fluido viscoso. : a) El movimiento de esta esfera hacia la derecha equivale al flujo de fluido hacia la izquierda. Aquí el flujo es laminar con N′R menos de 1. Hay una fuerza, llamada arrastre viscoso FV, a la izquierda en la bola debido a la viscosidad del fluido. (b) A mayor velocidad, el flujo se vuelve parcialmente turbulento, creando una estela que comienza donde las líneas de flujo se separan de la superficie. La presión en la estela es menor que frente a la esfera, debido a que la velocidad del fluido es menor, creando una fuerza neta hacia la izquierda F′V que es significativamente mayor que para el flujo laminar. Aquí N′R es mayor que 10. (c) A velocidades mucho mayores, donde N′R es mayor de 10^6, el flujo se vuelve turbulento en todas partes de la superficie y detrás de la esfera. El arrastre aumenta dramáticamente.

    Arrastre viscoso

    Una de las consecuencias de la viscosidad es una fuerza de resistencia llamada arrastre viscoso FVFV que se ejerce sobre un objeto en movimiento. Esta fuerza normalmente depende de la velocidad del objeto (en contraste con la fricción simple). Los experimentos han demostrado que para el flujo laminar (N′R menor que aproximadamente uno) la resistencia viscosa es proporcional a la velocidad, mientras que para N′R entre aproximadamente 10 y 106, la resistencia viscosa es proporcional a la velocidad al cuadrado. (Esta relación es una fuerte dependencia y es pertinente para las carreras de bicicletas, donde incluso un pequeño viento en contra provoca un aumento significativo del arrastre sobre el corredor. Los ciclistas se turnan para ser el líder en la manada por esta razón.) Para N′R mayor a 106, el arrastre aumenta dramáticamente y se comporta con mayor complejidad. Para el flujo laminar alrededor de una esfera, el FVFV es proporcional a la viscosidad del fluido, el tamaño característico del objeto L y su velocidad v. Todo lo cual tiene sentido: cuanto más viscoso sea el fluido y mayor sea el objeto, más resistencia esperamos. Recordemos la ley de Stoke FS=6πRηVFS=6πRηV. Para el caso especial de una pequeña esfera de radio R, moviéndose lentamente en un fluido de viscosidad, la fuerza de arrastre FSFS viene dada por

    fs=6πRηVFS=6πRηV.

    Fenómenos de transporte molecular

    Los fenómenos de transporte molecular son formas en que las moléculas son transportadas de una región a otra. Estos incluyen difusión y ósmosis.

    objetivos de aprendizaje

    • Predecir el papel que juega la difusión en el transporte de sangre por todo el cuerpo

    Difusión

    Los átomos y las moléculas están en constante movimiento a cualquier temperatura. En los fluidos se mueven aleatoriamente incluso en ausencia de flujo macroscópico.

    La difusión es el movimiento de sustancias debido al movimiento molecular térmico aleatorio. Los fluidos, como los humos de pescado o los olores que entran en cubitos de hielo, pueden incluso difundirse a través La difusión es un proceso lento a lo largo de distancias macroscópicas. Las densidades de los materiales comunes son lo suficientemente grandes como para que las moléculas no puedan viajar muy lejos antes de tener una colisión que pueda dispersarlos en cualquier dirección, incluso hacia atrás. Las moléculas más masivas se difunden más lentamente.

    Otro punto interesante es que la velocidad de difusión para el oxígeno en el aire es mucho mayor que para el oxígeno en el agua. En el agua, una molécula de oxígeno hace muchas más colisiones en su caminata aleatoria y se ralentiza considerablemente. En el agua, una molécula de oxígeno se mueve solo alrededor de 40μm en 1 s. (¡Cada molécula choca realmente unas 1010 veces por segundo!). Por último, señalar que las constantes de difusión aumentan con la temperatura, debido a que la velocidad molecular promedio aumenta con la temperatura. Esto se debe a que la energía cinética promedio de las moléculas, 1/2mv 2, es proporcional a la temperatura absoluta. Debido a que la difusión suele ser muy lenta, sus efectos más importantes ocurren en pequeñas distancias. Por ejemplo, la córnea del ojo obtiene la mayor parte de su oxígeno por difusión a través de la delgada capa lagrimal que lo cubre.

    Si colocas con mucho cuidado una gota de colorante alimentario en un vaso de agua sin gas, se difundirá lentamente en los alrededores incoloros hasta que su concentración sea la misma en todas partes. Este tipo de difusión se llama difusión libre, porque no hay barreras que la impidan. Examinemos su dirección y tasa. El movimiento molecular es aleatorio en la dirección, y tan simple casualidad dicta que más moléculas se moverán fuera de una región de alta concentración que hacia ella. La tasa neta de difusión es mayor inicialmente que después de que el proceso se haya completado parcialmente. La velocidad de difusión es proporcional a la diferencia de concentración. Muchas más moléculas dejarán una región de alta concentración de las que entrarán en ella desde una región de baja concentración. De hecho, si las concentraciones fueran las mismas, no habría movimiento neto. La velocidad de difusión también es proporcional a la constante de difusión D, la cual se determina experimentalmente. Muchos de los factores que afectan la velocidad están ocultos en la constante de difusión D. Por ejemplo, la temperatura y las fuerzas cohesivas y adhesivas afectan todos los valores de D. La difusión es el mecanismo dominante por el cual se produce el intercambio de nutrientes y productos de desecho entre la sangre y el tejido, y entre el aire y la sangre en los pulmones. En el proceso evolutivo, a medida que los organismos se hicieron más grandes, necesitaban métodos de transporte más rápidos que la difusión neta, debido a las mayores distancias involucradas en el transporte, lo que condujo al desarrollo de los sistemas circulatorios. Los organismos unicelulares menos sofisticados aún dependen totalmente de la difusión para la eliminación de los productos de desecho y la absorción de nutrientes.

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    Colorante Alimenticio: Colorante alimentario extendido sobre una fina película de agua.

    Ósmosis y diálisis: difusión a través de diferentes membranas

    Algunos de los ejemplos más interesantes de difusión ocurren a través de barreras que afectan las tasas de difusión. Por ejemplo, cuando remojas un tobillo hinchado en sal de Epsom, el agua se difunde por tu piel. Muchas sustancias se mueven regularmente a través de las membranas celulares; el oxígeno entra, el dióxido de carbono sale, los nutrientes entran y los desechos salen, por ejemplo. Debido a que las membranas son estructuras delgadas (típicamente 6.5×10-9 a 10×10 −9 m de ancho), las velocidades de difusión a través de ellas pueden ser altas.

    La difusión a través de membranas es un importante método de transporte. Las membranas son generalmente selectivamente permeables o semipermeables. En otros tipos de membranas, las moléculas pueden realmente disolverse en la membrana o reaccionar con moléculas en la membrana mientras se mueven a través. La función de membrana, de hecho, es objeto de mucha investigación actual, involucrando no sólo fisiología sino también química y física. La ósmosis es impulsada por el desequilibrio en la concentración de agua. Por ejemplo, el agua está más concentrada en tu cuerpo que en la sal de Epsom. Cuando remojas un tobillo hinchado en sal de Epsom, el agua sale de tu cuerpo hacia la región de menor concentración en la sal. De igual manera, la diálisis es el transporte de cualquier otra molécula a través de una membrana semipermeable debido a su diferencia de concentración. Tanto la ósmosis como la diálisis son utilizadas por los riñones para limpiar la sangre.

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    Difusión: a) Dos soluciones azúcar-agua de diferentes concentraciones, separadas por una membrana semipermeable que pasa agua pero no azúcar. La ósmosis estará a la derecha, ya que ahí está menos concentrada el agua. (b) El nivel del fluido se eleva hasta que la contrapresión ρgh es igual a la presión osmótica relativa; entonces, la transferencia neta de agua es cero.

    Las bombas y el corazón

    El corazón bombea sangre a través del cuerpo al contraerse y relajarse, aumentando y disminuyendo la presión.

    objetivos de aprendizaje

    • Sístole de contraste y diástole en la circulación cardiovascular

    El corazón y sus partes

    El corazón está conformado por cuatro cámaras. Dos aurículas en la parte superior del corazón reciben sangre y dos ventrículos en la parte inferior del corazón bombean sangre fuera del corazón. El tabique divide el lado izquierdo y derecho del corazón, mientras que las válvulas del corazón aseguran que la sangre solo fluya en una dirección.Incluyen la válvula tricúspide, que se encuentra entre la aurícula derecha y el ventrículo derecho, y la válvula mitral, que se encuentra entre la aurícula izquierda y el ventrículo izquierdo. La lista de válvulas cardíacas también incluye las válvulas semilunares, que se encuentran en la parte inferior de la aorta y la arteria pulmonar. Los fuertes acordes tendinosos unidos a las válvulas evitan que se vuelvan del revés cuando se cierran.

    El corazón humano sufrirá más de 3 mil millones de ciclos de contracción durante una vida normal. Un ciclo cardíaco completo es una ronda del corazón bombeando sangre y consta de dos partes: sístole (contracción del músculo cardíaco) y diástole (relajación del músculo cardíaco). Durante el ciclo, la mitad superior del corazón funciona como una unidad, mientras que la mitad inferior del corazón funciona como una unidad.

    El latido del corazón se puede escuchar como un sonido que hacen las válvulas cuando se cierran. El sonido 'lub' se produce cuando las válvulas del atrio ventricular se cierran y el sonido 'dub' se hace cuando se cierran las válvulas semi lunares. La presión arterial es producida por las contracciones del ventrículo izquierdo.El ritmo de la diástole ventricular, a menudo solo denominada diástole, provoca el pulso, que se puede sentir al sostener dos dedos al costado de la garganta.

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    Ciclo Cardíaco: El corazón bombea sangre a través del cuerpo.

    Puntos Clave

    • Para baja velocidad, el flujo en un tubo liso será laminar.
    • A velocidades más altas o si hay obstrucciones, el flujo se vuelve turbulento.
    • El flujo turbulento es muy caótico, con variaciones rápidas en velocidad y presión.
    • Los fluidos viscosos ejercen una fuerza resitiva sobre los objetos que intentan moverse a través de ellos.
    • Esta fuerza resistiva se denomina arrastre viscoso y es proporcional a la viscosidad del fluido y al movimiento del objeto.
    • Un objeto que se mueve en un fluido puede ser considerado como un objeto estacionario en un fluido en movimiento.
    • La difusión es el movimiento de las moléculas debido al movimiento térmico aleatorio.
    • La ósmosis es el movimiento de las moléculas debido a diferentes concentraciones. Las moléculas pasarán de regiones de altas concentraciones a concentraciones más bajas.
    • Estos fenómenos de transporte pueden tener lugar a través de membranas si la presión es lo suficientemente grande.

    Términos Clave

    • turbulento: Estar en, o causar, disturbios o disturbios.
    • aerodinámico: Diseñado para ofrecer poca resistencia al flujo de fluido, especialmente al tener líneas elegantes y elegantes.
    • laminar: De movimiento fluido, suave y regular, fluyendo como si en diferentes capas.
    • viscosidad: Una cantidad que expresa la magnitud de la fricción interna en un fluido, medida por la fuerza por unidad de área que resiste el flujo uniforme.
    • turbulencia: Perturbación en un gas o fluido, caracterizada por evidencia de movimiento interno o disturbios.
    • difusión: la mezcla de las moléculas de un fluido debido a la agitación térmica aleatoria
    • ventrículo: Una de las dos cámaras inferiores del corazón.
    • contracción: Una reducción reversible de tamaño.
    • aurícula: Una cámara superior del corazón que recibe sangre de las venas y la fuerza al interior de un ventrículo. En vertebrados superiores, la aurícula derecha recibe sangre de la vena cava superior y la vena cava inferior, y la aurícula izquierda recibe sangre de las venas pulmonares izquierda y derecha.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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