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La capa límite en palabras sencillas

2009-09-14

El viento se queda pegado a las paredes. No se nota a simple vista porque el viento está hecho de aire y el aire no tiene consistencia. Si le preguntáramos cómo le va la vida a un pedacito de aire que está en contacto con una pared, nos respondería que tiene la pared bien agarrada y no puede moverse en relación a ella. Si le preguntáramos cómo le va la vida al pedacito de aire que está justo al lado sin tocar la pared, nos diría que se mueve libremente, pero siente cierto roce con el pedacito de aire de debajo, el que está quieto. Finalmente, si le preguntáramos cómo le va la vida a un pedacito de aire alejado de la pared, nos diría que se mueve al mismo ritmo que sus vecinos, que siente algún que otro empujón remoto que le indica que hay una pared a cierta distancia, pero que no tiene roces con sus compañeros.

Simpáticas partículas fluidas en una capa límite
Los pedacitos de aire (partículas fluidas) se mueven más deprisa conforme nos alejamos de la pared. Las partículas fluidas más lejanas se mueven todas a la vez, mientras que las que tocan la pared se agarran a ella y no se mueven.

Esos roces entre pedacitos de aire (partículas fluidas) son el efecto de la viscosidad, que es la fuerza que se opone a las deformaciones tangenciales, algo así como un rozamiento entre capas de fluido que deslizan unas sobre otras. Si la viscosidad es muy elevada, como pasa con la miel, hay mucha resistencia a fluir. Si la viscosidad es baja, como pasa con el aire, hay poca resistencia a fluir. Pase lo que pase, el viento ha de frenarse en la pared. Cuando el viento sopla con fuerza, la viscosidad no puede frenarlo a mucha distancia y no hace falta alejarse mucho de la pared para que la velocidad alcance un valor uniforme y grande. Puede decirse que el arrastre (convección) de la fuerte corriente exterior puede con la viscosidad.

Perfil de velocidades en cierta capa límite
La corriente en la capa límite pasa rápidamente de estar quieta en la pared hasta moverse uniformemente lejos de la pared.

La capa límite es esa región del campo fluido próxima a la pared en la que se nota el efecto de la viscosidad. También hay capa límite cuando corre el agua alrededor del casco de un barco y, en general, en el caso de cualquier corriente alrededor de un obstáculo en la que los esfuerzos viscosos son de poca importancia. Estos esfuerzos son de poca importancia y la capa límite es delgada cuando la viscosidad es pequeña y la velocidad de la corriente es grande. Cuanto más rápido vaya la corriente exterior y cuanto más baja sea la viscosidad, menos podrá hacer la viscosidad para frenar la corriente a gran distancia de la pared. Además, cuanto más grande sea el obstáculo, más pequeña será la capa límite en comparación con él. Hay un numerito, el número de Reynolds, que se usa para medir esto: si el número de Reynolds es alto, entonces es de esperar una capa límite delgadita; si el número de Reynolds es muy bajo, entonces puede que la viscosidad se note en todas partes y no tenga sentido hablar de capa límite. El número de Reynolds también está relacionado con la turbulencia, es decir, con que la corriente se alborote.

Las capas límite pueden ser, entre otras cosas, laminares y turbulentas. Son laminares donde las partículas fluidas van en orden, mientras que son turbulentas donde las partículas fluidas están desordenados, se dan codazos en todas direcciones y no hay dos instantes en los que la corriente tenga exactamente el mismo aspecto. Cuando el famoso número de Reynolds es grande, suele ser más fácil alborotar la capa límite y hacer que se vuelva turbulenta. Esto es conveniente a veces y otras veces es un fastidio.

Las capas límite son muy sensibles y quisquillosas. Es fácil lograr que se separen. Eso de que se separa una capa límite es una forma de decir que deja de existir como tal y la corriente se arremolina y se vuelve muy cochina. Esto pasa cuando el obstáculo se acaba bruscamente en un borde romo y cuando la presión sube muy deprisa al avanzar la corriente, por ejemplo. Cuando la límite es turbulenta, suele resistirse un poquito más a separarse que cuando es laminar, pero en cualquier caso no aguanta mucho. La separación de la capa límite suele venir muy mal en muchas máquinas como aviones y coches de competición y evitarla es algo que trae de cabeza a muchísimos ingenieros.

Sofisticado material aerodinámico
Los ingenieros emplean técnicas sofisticadas para tratar las patologías de la capa límite.

Hay varios tipos de capa límite. Por ejemplo, cuando sopla el viento fresquito alrededor de un cuerpo caliente, surge una capa límite térmica.


Categorías: Física

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