¿Cuál es el mecanismo que transforma la presión en velocidad?

Sé que es una pregunta común, pero no puedo encontrar una explicación que pueda mostrar claramente cómo sucede. Si tomamos la ecuación de Bernoulli, siendo conscientes de su hipótesis, establece que la energía es constante entre 2 puntos dados. Entonces, si la presión cae, la velocidad debería aumentar.

Sé que la masa de flujo debe conservarse, pero una cosa es la explicación matemática y también el mecanismo en sí. ¿Cómo sucede exactamente esto? Si la velocidad aumenta, debe ser debido a una fuerza. No gravitacional, no fuerza superficial, entonces, ¿cuál?

Además, si los líquidos no se pueden comprimir y la temperatura es constante. ¿Dónde se almacena esta energía de “presión”?

EDITAR: Mi pregunta surge al trabajar con bombas hidráulicas en las que se utilizan difusores para transformar la velocidad en presión.

Debe tener algo que ver con la geometría de la tubería, pero no puedo entender cómo un líquido que fluye con velocidad deja caer algo para aumentar su presión en un segmento más amplio de la tubería. Más espacio debería conducir a menos presión y más velocidad, ya que tiene más espacio disponible.

Estoy buscando una respuesta más "atomista" como esta (no me satisface por completo):

De acuerdo con el principio de Bernoulli, la presión de un fluido disminuye cuando aumenta su velocidad (por ejemplo, en una boquilla). ¿Cuál es el razonamiento físico para esto?

Un viejo marinero de río me dijo cuando era niño "Donde el río es angosto es rápido y lento donde es ancho" ¿Por qué? Yo pregunté. "Porque la (cantidad de) agua que fluye en el ancho es la misma en el estrecho"
O tengo esta pregunta... Gracias por preguntar al relevante @ Xcode X

Respuestas (5)

P: ¿Cuál es el mecanismo que transforma la presión en velocidad?

R: Empujando.

En serio, esa es la respuesta. La ecuación de Bernoulli generalmente se expresa como "la presión cae cuando aumenta la velocidad", pero la encuentro mucho más clara cuando se expresa al revés: la velocidad aumenta en una parte angosta de una tubería porque antes de la parte angosta, hay una gran presión empujando el líquido hacia adentro la parte estrecha. Dentro de la parte estrecha, el fluido ya está acelerado, por lo que ya no se necesita presión para mantener la velocidad .

(De hecho, más exactamente, es el gradiente de presión lo que acelera el fluido, es decir, las partículas en la entrada están siendo fuertemente empujadas desde atrás, pero no tan fuertemente resistidas desde adelante).

El punto es que no veo cómo y por qué las moléculas de líquidos cambiarían la presión en velocidad. Pensé en el empuje antes, pero en los difusores es todo lo contrario, la velocidad cae y la presión aumenta y el empuje ya no funciona. ¿Qué es lo que ralentiza el fluido?
¡ La presión está ralentizando el fluido! Es decir, el gradiente de presión inversa en ese punto: las moléculas salen de la parte estrecha y chocan contra una "pared" de mayor presión, mientras que detrás en el estrecho solo hay una presión más baja, por lo que experimentan un efecto de ruptura de red.
@XcodeX: Distancia. Funciona casi exactamente igual que con cuerdas y poleas. Asumir que el líquido no se puede comprimir es lo mismo que suponer que las cuerdas no se pueden estirar. Si el líquido no se puede comprimir, entonces el flujo debe ser el mismo en todo el sistema. Si el flujo (litros por segundo) es igual en todas partes, entonces si la tubería es más estrecha, el líquido DEBE moverse más rápido para que se mantenga el flujo de litros por segundo (si no, entonces el líquido se comprimiría). De manera similar, si la tubería es más ancha, el líquido DEBE disminuir la velocidad para mantener constantes los litros por segundo.
@XcodeX Es la misma razón por la que las cosas rebotan en una pared cuando se arrojan contra ella. La presión se almacena como tensión física entre las moléculas y se transforma en velocidad a medida que la fuerza de reacción entre las moléculas debido a la tensión que se aplican entre sí se reduce repentinamente en un lado, luego, obviamente, la fuerza del otro lado continúa empujando y causará aceleración en la dirección de la presión reducida.
@slebetman Pero una cosa es saber que el líquido tiene que acelerar/desacelerar para mantener el flujo de masa y otra muy diferente el mecanismo que lo hace. Conozco y respeto la conservación de la energía y la masa, pero puedo ver cómo los átomos individuales hacen lo que hacen.

Normalmente (excluyendo las reacciones nucleares, etc.), es la repulsión electromagnética ("em" de aquí en adelante) la raíz de todo. Un empujón no es más que una repulsión electromagnética entre lo que empuja y lo que es empujado.

Si lo que se empuja es lo suficientemente firme como para ejercer una fuerza em igual y opuesta, entonces no hay movimiento, aunque haya presión de ambos lados. De lo contrario, se desplaza por la repulsión que se convierte en velocidad. La presión no es más que em repulsión por unidad de área.

La atracción también puede causar presión, pero la repulsión es imprescindible para darse cuenta de la presión. Al igual que la gravedad (atracción), causa presión entre tus pies y la tierra, pero la presión solo se realiza por la repulsión entre los electrones en tus zapatos y los de la tierra donde estás parado.

El fluido/aire en movimiento más rápido (en paralelo) tiene menos posibilidades de ejercer esa repulsión y, por lo tanto, el principio de Bernouilli.

Entonces, para responder a su pregunta, EM causa empuje/presión, lo que provoca desplazamiento, lo que resulta en velocidad.

En uno de sus comentarios, "la velocidad cae y la presión aumenta", básicamente, la fuerza opuesta es lo suficientemente firme como para ralentizar el desplazamiento y, por lo tanto, dejar que la presión aumente hasta el punto en que coincida con el empuje de la fuente.

Realmente, esta es una gran explicación !!!!!! Una forma diferente de pensar!!!

La ecuación de Bernouillis equilibra la energía, no las fuerzas mismas.

La presión es como una energía potencial. No tiene ningún uso hasta que haya un diferencial de presión para actuar. Cuando se permite que la presión actúe sobre un diferencial, el fluido fluye de alta a baja presión. Esto crea una fuerza sobre el fluido, lo que hace que se acelere.

Dado que ya conocemos la presión y queremos la velocidad, encontrar la fuerza sobre el fluido mismo es un paso en vano. En cambio, puede usar el balance de energía para relacionar un cambio en la presión directamente con un cambio en la velocidad. Es una simple cuestión de asumir que no hay pérdida neta de energía y que solo cambiarán la presión y la velocidad.

La energía de presión se almacena en cualquier recipiente que pueda contener la presión. Si hay un extremo abierto, el fluido pasará por el extremo abierto y perderá esa presión. Esa presión perdida se convertirá en velocidad a través de la conservación de la energía. La presión en sí misma no es energía utilizable, necesita una diferencia de presión para usarla (lo mismo se aplica con el potencial de voltaje y también sucede con las temperaturas).

Quise decir cómo se almacena dentro del fluido. No se realiza trabajo en el fluido, por lo que debe almacenarse de alguna manera en él. repulsión electrostática entre las moléculas del fluido tal vez?
En los gases, la presión es la medida de las colisiones entre el gas y el recipiente; el aumento de la velocidad con la temperatura conduce a colisiones "más grandes", por lo que aumenta la presión. Pero, ¿y los líquidos?
Se almacena como energía interna en el fluido. Líquido o gas la presión está haciendo lo mismo. Más colisiones, más presión, líquido o gas. En cualquier caso, se almacena como energía potencial en el fluido. Las paredes del recipiente mantienen la energía interna del fluido. Si abre el recipiente, la energía interna de la presión se libera al forzar la salida del líquido por la abertura.
No puede ser porque el aumento de temperatura en los líquidos no aumenta la presión como sucede en los gases.
¿Quién te dijo eso? Si aumenta la temperatura de un líquido en un recipiente cerrado, aumentará la presión. Es el mismo principio que el gas. Mientras esté en un recipiente cerrado, la presión aumentará.
Lo siento, me expliqué mal. Quise decir que no es exactamente lo mismo que en las ecuaciones de Bernouilli, el calor no se tiene en cuenta, por lo que el cambio en la presión debería ser algún tipo de reorganización de la velocidad/presión.
Sí; en las ecuaciones de Bernoulli se supone que la temperatura no cambia lo suficiente como para tener un efecto dramático. La presión del agua en expansión también es minúscula en comparación con un gas porque los líquidos obviamente no siguen muy bien la ley de los gases ideales y solo tienen un poco de expansión debido a los cambios de densidad. Pero sí, la de Bernoulli es una ecuación de balance de energía sencilla, como en las clases de física básica. El potencial cinético + permanece igual en ambas situaciones. Solo considera el potencial de la gravedad y el diferencial de presión; asumir cualquier otra cosa que tenga un efecto es demasiado pequeño para preocuparse. Lo siento por divagar.
@XcodeX Liquids también se comprime. Simplemente no se comprimen tan bien como los gases (donde un gas ideal tiene un volumen lineal a la presión y la temperatura), pero eso no importa mucho para el "almacenamiento de presión": cuanto más difícil es comprimir algo, más energía por cambio de volumen que almacena. Debe distinguir entre modelos idealizados, donde los líquidos son perfectamente incompresibles, y la realidad, donde los líquidos se comprimen y se "vaporizan" espontáneamente en condiciones de baja presión, etc., y las tuberías son flexibles y... La densidad del agua de mar en las profundidades del océano es de aproximadamente 2,5 % mayor que en la superficie.

Comencemos con dónde se almacena la energía de presión.

Ningún líquido es realmente incompresible, sólo casi incompresible. Las partículas tienen una idea muy estricta sobre qué tan separadas "quieren" estar, pero se las puede convencer para que se acerquen un poco más.

Y eso es lo que es la alta presión, partículas amontonadas incómodamente juntas. Puedes visualizar esto como cada partícula empujando a sus vecinas pero nadie moviéndose mucho porque este empuje viene de todas las direcciones. Las partículas también empujan el contenedor, pero el contenedor empuja hacia atrás.

Esta es la energía potencial. Puedes visualizarlo como un pequeño resorte comprimido entre cada par de vecinos demasiado cercanos.

¡Y de repente hay una abertura por donde pueden escapar las partículas! La primera capa de partículas se empuja solo desde un lado y se expulsa a alta velocidad, luego la segunda capa se convierte en la nueva capa más externa y se expulsa a su vez. Y así.

Ahora la energía de esos resortes comprimidos se ha convertido en energía cinética.

Intenté imaginarme las partículas de primavera, ¡pero en realidad funciona al revés! Cuando la tubería es más ancha la presión aumenta y viceversa. enlace _ Si fueran como resortes en la parte más ancha deberían tener más espacio para menos presión ya que pueden relajar su presión.
Esta es la respuesta correcta. El término 'fluido incompresible' debe enseñarse con cuidado o de lo contrario hace que sea imposible ver realmente lo que está pasando.

Creo que puedo agregar algo a las explicaciones de otras personas. Algunas personas han mencionado que una mayor presión significa una mayor energía almacenada (energía potencial). Esto es correcto. Y también que esta presión es responsable de acelerar las partículas a mayor velocidad en un estrechamiento. Esto también es cierto. Sin embargo, no es correcto decir que la disminución de la presión se produce como resultado de la conversión de energía potencial a energía cinética. Es decir, no es que las partículas tengan menos energía cinética (lo que significaría menor temperatura).

Lo que realmente sucede es que las partículas se mueven en promedio más separadas en la zona de mayor velocidad (ver la figura a continuación)

descripción molecular de la zona de aceleración 1-d

La figura representa un modelo 1-d de un tren de moléculas vibrantes que viajan, digamos, de izquierda a derecha a una velocidad constante (imagen superior) hasta que encuentran una zona de mayor velocidad (imagen inferior). Los círculos representan una muestra de las posiciones de las partículas, de modo que las posiciones más probables tienen más círculos agrupados cerca de ellas.

Al igual que en el flujo de moléculas en una tubería, uno debe imaginar las moléculas vibrando de un lado a otro. Este movimiento vibratorio se superpone a la velocidad media de izquierda a derecha. La temperatura del fluido da la energía cinética promedio de las moléculas debido al movimiento aleatorio (restando el componente debido a la velocidad promedio). Cuando las partículas pasan a través de una zona de mayor velocidad (como un estrechamiento en una tubería), se separan más, lo que hace que la frecuencia de las colisiones sea menor . Esto es principalmente lo que provoca la disminución de la presión, ya que un menor número de impactos por unidad de tiempo y área conduce a una menor fuerza total por unidad de área.

Es cierto, como han señalado otros, que las partículas utilizan parte de su energía cinética para acelerar, bajando ligeramente su temperatura. Sin embargo, normalmente es una fracción muy pequeña de su velocidad de vibración, por lo que el cambio de temperatura es pequeño. El cambio en la distancia entre las partículas es la verdadera causa de la caída de presión (la energía potencial se convierte en energía cinética).

Espero que esta explicación te ayude a ti y a otros a comprender esta pregunta frecuente. También me gustaría señalar que esta pregunta se ha hecho en este sitio, con variaciones, en otras ocasiones:

¿Cómo podemos entender intuitivamente la idea de que cuando la velocidad del fluido aumenta, la presión del fluido disminuye?

¿Por qué la presión es mayor en la parte abierta de un tubo que en la constreñida?

También está relacionado

¿Por qué la disminución de la velocidad aumentará la presión?

Se dan explicaciones complementarias en

Fuente microscópica de presión en un fluido incompresible

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