BIOGRAFÍAS OSBORNE REYNOLDS Fue un INGENIERO y FÍSICO irlandés que realizó importantes contribuciones en los campos de la hidrodinámica la hidrodinámica y la dinámica la dinámica de fluidos, siendo fluidos, siendo la más notable la introducción del Número de Reynolds en 1883. en 1883.
Nacimiento: Belfast, Irlanda del Norte, 23 de agosto de 1842. de 1842. Fallecimiento: febrero de 1912. de 1912.
Watchet, Inglaterra, Watchet, Inglaterra, 21
de
Tras estudiar matemáticas en Cambridge, fue profesor de ingeniería en el Owens College de Manchester en 1868. FIGURA 1. OSBORNE Además de ser uno de los físicos teóricos más relevantes REYNOLDS del siglo XIX, inventó el termodifusómetro. t ermodifusómetro. En 1883 definió la cantidad adimensional que determina el tipo de flujo (laminar o turbulento) que presenta un fluido, bautizado como número de Reynolds, que relaciona las fuerzas de inercia y de viscosidad de un fluido. En 1877 En 1877 fue elegido miembro de la Royal Society y, en 1888, en 1888, recibió la medalla al mérito, Royal mérito, Royal Medal debido a sus estudios honorarios, para principios de 1905, se retiró debido a cansancio, tanto físico como mental.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: Se concentró en la hidráulica (movimiento en ríos) y la hidrodinámica. Reynolds estudió las condiciones en las que la circulación de un fluido en el interior de una tubería pasaba del régimen del régimen laminar al régimen al régimen turbulento. Fruto turbulento. Fruto de estos estudios vería la luz el llamado Número llamado Número de Reynolds, por Reynolds, por similitud entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. El Número El Número de Reynolds aparece por primera vez en 1883 en 1883 en su artículo titulado AN EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE CIRCUMSTANCES WHICH DETERMINE WHETHER THE MOTION OF WATER IN PARALLEL CHANNELS SHALL BE DIRECT OR SINUOUS AND OF THE LAW OF RESISTANCE IN PARALLEL CHANNELS. Reynolds también propuso las que actualmente se conocen como las Reynolds-averaged Reynolds-averaged Navier-Stokes equations para equations para flujos turbulentos, en las que determinadas determinadas variables, como la velocidad, la velocidad, se expresan como la suma de su valor medio y de las componentes fluctuantes. La construcción naval también le debe mucho a los trabajos de Reynolds, que propugnaba propugnaba la construcción de nuevos modelos de barcos a escala reducida. Con ellos se podían conseguir valiosos datos predictivos acerca del comportamiento final del barco a tamaño real. Este proceso depende estrechamente de la aplicación de los principios de Reynolds sobre turbulencias, junto con los cálculos de fricción y la correcta aplicación de las teorías de William de William Froude acerca de las ondas de energía gravitacional y su propagación.
JOSEPH VALENTIN BOUSSINESQ Fue un MATEMÁTICO Y FÍSICO francés que hizo importantes contribuciones a la teoría de la hidrodinámica, la vibración, la luz y el calor.
Nacimiento: 13 de marzo de 1842. Francia Fallecimiento: 19 de febrero de 1929. De 1872 a 1886, fue nombrado profesor de la Facultad de Ciencias de Lille, dando conferencias cálculo diferencial e integral en el Instituto Industrial du Nord (École Centrale de Lille). Desde 1896 hasta su jubilación en 1918, fue profesor de mecánica en la Facultad de Ciencias de París.
FIGURA 2. JOSEPH VALENTIN BOUSSINESQ
En 1883 propuso una solución al problema de determinar los esfuerzos en una partícula de suelo producto de cargas en la superficie, proponiendo modelos que considera un medio homogéneo, elástico, isótropo y semi-infinito.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: En 1897 publicó “Teoría del remolino y agitado flujo de líquidos”, una obra que contribuyó en gran medida al estudio de la turbulencia y la hidrodinámica. En dinámica de fluidos, la aproximación de Boussinesq para las ondas de agua es una aproximación válida para débilmente no lineales y olas bastante largos. La aproximación lleva el nombre de Joseph Boussinesq, el primero de ellos deriva en respuesta a la observación de John Scott Russell del ola de traducción (también conocida como onda solitaria osolitón). El documento 1872 de Boussinesq introduce las ecuaciones ahora conocidas como las ecuaciones de Boussinesq. La aproximación de Boussinesq para las ondas de agua tiene en cuenta la estructura vertical de la horizontal y vertical de velocidad de flujo. Esto da como resultado no lineales de ecuaciones diferenciales parciales, llamados ecuaciones de tipo Boussinesq, que incorporan dispersión de frecuencia (como opuesta a las ecuaciones de aguas poco profundas, que no son de frecuencia dispersiva). En la ingeniería de costas, las ecuaciones de tipo Boussinesq se utilizan con frecuencia en modelos informáticos para la simulación de ondas de agua en poco profundos mares y puertos. Mientras que la aproximación de Boussinesq es olas bastante largos aplicables a - es decir, cuando la longitud de onda es grande en comparación con la profundidad del agua la expansión de Stokes es más apropiado para las ondas cortas (cuando la longitud de onda es del mismo orden que la profundidad del agua, o más corto).
LUDWIG PRANDTL Fue un INGENIERO Y FÍSICO alemán. Hizo importantes contribuciones a la mecánica de fluidos y la teoría de la fuerza de los sólidos. Profesor en la Universidad de Gotinga y director del Instituto Max Planck, se especializó en el estudio de la mecánica de fluidos.
Nacimiento: Freising, Alemania, 4 de febrero de 1875. Fallecimiento: Gotinga, Alemania el 15 de agosto de 1953.
FIGURA 3. LUDWIG PRANDTL
Inició sus estudios científicos formales, a la edad de 20 años en la Universidad Técnica de Munich, Alemania, y se graduó con un doctorado dentro de los seis años. Entró en el campo de la mecánica de fluidos cuando tuvo que diseñar un dispositivo de succión. Después de realizar algunos experimentos, se encontró con un dispositivo original que funcionó bien y utilizaba menos energía que el dispositivo que se había utilizado. Prandtl fue profesor en la Universidad de Hannover entonces 01 de septiembre 1904, fue llamado a la Universidad de Gotinga. Allí, desde 1906 hasta 1908, Theodore von Karman prepara su doctorado bajo su liderazgo. Allí desarrolló su capa límite teoría y estudió supersónico flujo a través de las boquillas. Desde 1904 hasta 1953 se desempeñó como profesor de mecánica aplicada en la universidad de Gotinga, donde estableció una escuela de aerodinámica e hidrodinámica que alcanzó gran reconocimiento a escala mundial.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: Estableció el concepto de capa límite para definir la porción de fluido en contacto con la superficie de un cuerpo sólido sumergido en él y en movimiento relativo. Investigó la turbulencia y halló la ley de distribución de velocidades en la capa límite turbulenta. Ideó el tubo de Prandtl, esencialmente igual al tubo de Pitot. El número de Prandtl, que desempeña un importante papel en el análisis de problemas de fluidos ha sido nombrado en su honor. El Número de Prandtl (Pr) es un número adimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento (viscosidad) y la difusividad térmica. En general, para gases y líquidos no metálicos u oleosos, el orden de magnitud del número de Prandtl es la unidad, y su magnitud varía muy poco con la temperatura o la presión. En problemas de transferencia de calor el número de Prandtl controla el espesor relativo de las capas límite de momento y térmica. Cuando Pr es pequeño significa que el calor se difunde muy rápido comparado con la velocidad (momento). El número adimensional análogo en transferencia de masa al número de Prandtl es el número de Schmidt.
THEODORE VON KÁRMÁN Fue un MATEMÁTICO INGENIERO ESPACIAL Y FÍSICO que realizo importantes contribuciones en el campo de la aeronáutica y astronáutica por sus trabajos en la dinámica de fluidos y aerodinámica.
Nacimiento: 11 Budapest, Hungría.
de
mayo de 1881
Fallecimiento: 6 de mayo de 1963 o 7 de mayo de 1963 Aquisgrán, Alemania. Estudio ingeniería en la Universidad Técnica Real FIGURA 4. Joseph. Se graduó en 1902, y se incorporó al grupo THEODORE VON de Ludwig Prandtl en la Universidad de Göttingen, KÁRMÁN recibiendo su doctorado en 1908. Los siguientes cuatro años dictó cursos en Göttingen. En 1912 aceptó un puesto en el Instituto Aeronáutico de RWTH Aachen, una de las universidades más importantes de Alemania. En 1963 fue premiado con la primeraMedalla Nacional En 1958 la Universidad de Sevilla lo nombra Doctor Honoris Causa.
de
Ciencia.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: Su trabajo vanguardista en aeronáutica y astronáutica conlleva importantes contribuciones a la mecánica de fluidos y la teoría de turbulencia como por ejemplo los vórtices de Von Kármán. Los vórtices de von Kármán es un patrón que se repite de vórtices en remolino causados por la separación no estacionaria de la capa de fluido al pasar sobre cuerpos sumergidos; en decir, siguen un patrón fractaliano y ocurren cuando un fluido (no solo las nubes como consecuencia del aire sino también en líquidos como el agua) se encuentras con un objeto maso menos cilíndrico. Los vórtices de Von Kármán ocurren solo cuando el número de Reynolds (Re) registra ciertos valores, por lo general superiores a 90. El rango de valores de Re oscilará según el tamaño y la forma del cuerpo a partir del cual se producen los vórtices así como de sus corrientes contrarias, es decir sus eddies, lo mismo que en función de la viscosidad cinemática del fluido. Cuando se trata de rangos elevados de Re (47
JOHANN NIKURADSE Fue un INGENIERO Y FÍSICO alemán nacido en Samtredia, Georgia.
Nacimiento: 20 noviembre 1894. Samtredia, Georgia (entonces parte del Kutais gobernación, la Rusia imperial) Fallecimiento: 18 de julio de 1979. Gotinga, Alemania Estudió en Kutaisi. En 1919, a través de las FIGURA 5. JOHANN recomendaciones del erudito georgiano conspicua Petre NIKURADSE Melikishvili, se fue al extranjero para estudios posteriores. El 1921 sovietización de Georgia impidió su regreso a la patria y Nikuradse naturalizado como ciudadano alemán. Se convirtió investigadores miembro del personal de la Universidad de Göttingen, Prandlt discípulo.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: Alemán experto en hidráulica en el campo de la resistencia al flujo en tuberías rugosas, que se desarrollaron muchos experimentos en los flujos en ambas tuberías rugosas y lisas. Estudió y llegó a conclusiones importantes sobre el fenómeno de la turbulencia, hasta entonces uno de los menos comprendidos por la física. El científico alemán mide la fricción con precisión que un fluido se somete mientras se fuerza a presión a fluir a través de una tubería a una velocidad variable (1933) y se encontró que la fricción disminuyó con el aumento de velocidad, seguida de un aumento sorprendentemente mayor velocidad para poco después, llegando a un valor constante. En este campo de sus obras más importantes fueron Gesetzimassigkeiten der turbuleuten Strömung en Glatten Rohren (1932) y Stromungs Gesetze en Rauhen Rohren (1933), publicado en la Verein deutscherIngenieure Forschungsheft, los números 356 y 361, respectivamente. Investigado en tubos con ranuras preparadas artificialmente. Nikuradse, en 1933, hizo una serie de experimentos en los cuales uso tubos de diferentes diámetros en cuyo interior pego arenas de granulometría uniforme de manera que obtuvo varias relaciones (rugosidad relativa) perfectamente determinadas. En cada uno de los tubos vario el caudal de forma que obtuvo un amplio rango de números Reynolds, con flujos que cubrían el rango desde laminar hasta turbulento y comportamiento hidráulicamente rugoso. Su experimento más conocido fue publicado en Alemania en 1933. Nikuradse mide cuidadosamente la fricción unas turbulentas experiencias de fluidos a medida que fluye por un tubo en bruto, utilizó granos de arena de diferentes rugosidades y descubrió que para la más áspera superficie, mayor es la fricción, y por lo tanto la pérdida de carga mayor.
HENRY PHILIBERT GASPARD DARCY Fue un hidráulico francés graduado como ingeniero civil de Puentes y Caminos, es uno de los pioneros modernos en el abastecimiento de agua potable.
Nacimiento: Dijon, Francia, 10 de junio de 1803. Fallecimiento: París, 2 de enero de 1858. Mediante una beca logra llegar a la ciudad de París para hacer sus estudios, en 1821 durante los siete años siguientes, terminó sus estudios en L'Ecole Polytechnique y en L'Ecole des Ponts et Chaussee's una escuela de puentes y FIGURA 6. HENRY caminos. Antes de su graduación fue admitido al cuerpo de GASPARD DARCY ingenieros de puentes y caminos de Dijon. En 1828 le fue asignado un proyecto de encontrar agua a grandes profundidades, porque no podían suplir las necesidades del pueblo, bajo su propia iniciativa Darcy abasteció de agua limpia a la ciudad de la forma más convencional. Diseño un sistema que producía grandes cantidades de caudal, cubrió una tubería de abastecimiento de 12,7 km y más de 28000 m de tuberías de distribución, también a edificios, hidrantes. El sistema entero fue cerrado y manejo debido a la gravedad, sin usar bombas o filtros. Darcy siguió con numerosas obras civiles, y se convirtió en miembro del Gobierno de Dijon.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: En 1856, publica un tratado sobre la red de distribución de Dijon titulado "Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon", en el cual aparece como un apéndice de su informe la fórmula que desde entonces lleva su nombre ( Ley de Darcy ). De esta fórmula se deduce una unidad de medida: un darcy, correspondiente a la permeabilidad de un cuerpo asimilable a un medio continuo e isótropo, a través del cual, un fluido homogéneo con viscosidad igual a la del agua a 20 °C se desplaza a la velocidad de 1 cm/s bajo un gradiente de presión de 1 atm/cm. En 1857 publica otro tratado relacionado con sus investigaciones experimentales del movimiento del agua en tuberías que permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería, se conoce como ecuación de Darcy-Weisbach es una ecuación ampliamente usada en hidráulica. Mejoró el diseño del tubo Pitot que permite calcular la presión total (suma de la presión estática y la presión dinámica) midiendo la velocidad del viento en aparatos aéreos y las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales. También realizó experimentos de campo en canales abiertos para determinar relación entre velocidad, área y pendiente. Como ingeniero civil se encargó del proyecto del Canal de Borgoña, proyectando y construyendo el sistema de suministro de agua potable a Dijon y una parte del ferrocarril París - Lyon.
JULIUS LUDWIG WEISBACH Fue un MATEMÁTICO E INGENIERO ALEMÁN.
Nacimiento: Mittelschmiedeberg, Alemania, 10 de agosto de 1806. Fallecimiento: febrero de1871.
Freiber,
Alemania,
24
de
Weisbach estudió en la Bergakademie de Freiberg entre 1822 y 1826. Tras ello, terminó su formación en la Universidad de Gotinga, donde impartía Carl Friedrich Gauss y en Viena, bajo las clases de Friedrich Mohs.
FIGURA 7. JULIUS LUDWIG WEISBACH
En 1831 regresó a Freiberg para enseñar matemáticas en el Gymnasium local. En 1833 se convirtió en profesor de Matemáticas y Teoría de Máquinas de Montaña en la Bergakademie. En 1836 fue ascendido a profesor de matemáticas aplicadas, mecánica, teoría de máquinas de montaña y Markscheidekunst. Como premio a sus estudios, Weisbach recibió distinciones honoríficas desde Leipzig, y fue miembro de la Real Academia de la Ciencia de San Petersburgo y de la Real Academia Sueca de Ciencia y de la Academia de Lincei.
RELACION CON LA HIDRÁULICA: A mediados de 1835, empieza a interesarse por la hidráulica, ciencia que abarcó sus más importantes trabajos. Sus escritos aparecen en más de 40 libros, pero los de mayor influencia fueron los de la hidráulica, que tienen tanta importancia que se siguieron usando sus descubrimientos a través del siglo XX y XXI. Es conocido por completar el trabajo de Darcy sobre pérdidas de carga en tuberías para dar lugar a la ecuación de Darcy-Weisbach (ecuación general) . La ecuación de Darcy-Weisbach es una ecuación ampliamente usada en hidráulica. Permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería llena. La ecuación fue inicialmente una variante de la ecuación de Prony, desarrollada por el francés Henry Darcy. En 1845 fue refinada por Julius Weisbach, de Sajonia. Algunas de sus obras son:
Handbuch der Bergmaschinenmechanik (2 Bde., 1835/1836) Lehrbuch der Ingenieur- und Maschinenmechanik (3 Bde., 1845/1863) Der Ingenieur, Sammlung von Tafeln, Formeln und Regeln der Arithmetik, Geometrie und Mechanik (1848) Die neue Markscheidekunst und ihre Anwendung auf die Anlage des Rothschönberger Stollns bei Freiberg (1851) Anleitung zum axonometrischen Zeichnen (1857)
PAUL RICHARD HEINRICH BLASIUS Fue un INGENIERO ALEMÁN especializado en mecánica de fluidos.
Nacimiento: 9 Berlín, Alemania. Fallecimiento: 24 Hamburgo, Alemania.
de
agosto de 1883 de
abril de 1970
Fue uno de los primeros estudiantes de Prandtl, que le proporcionó las bases matemáticas para el estudio del arrastre a través de la teoría de capa límite. El trabajo de Prandtl llevó al estudio en 1911 de este fenómeno en tuberías y conductos, relacionándolo con el número de Reynolds. La principal contribución de Blasius fue el estudio de la capa límite en una placa seminfinita, ampliando los resultados de Prandtl.
FIGURA 8. PAUL HEINRICH BLASIUS
RELACION CON LA HIDRÁULICA: Publicó varios trabajos analíticos sobre los límites de velocidad y la resistencia en el régimen laminar. Publicó una solución analítica para la distribución de la velocidad y la resistencia en la capa límite laminar (1908), la cuantificación de la teoría cualitativa de Prandlt, utilizando el flujo isotérmico de un gas con gradiente de presión cero sobre una placa de ancho. Originalmente se demostró (1911) en el documento de Das bei Aehnlichkeitsgesetz Reibungsvorgängen Flüssigkeiten en que el coeficiente de la resistencia para tubo liso haría única función del número de Reynolds, tanto para el flujo turbulento y laminar. También fue él quien preparó el primer diagrama para determinar el coeficiente de resistencia en el límite laminar en el número de Reynolds (desde 1842 hasta 1912). TEOREMA DE BLASIUS Para un flujo fluido con un potencial complejo alrededor de un cuerpo encerrado por un contorno , la fuerza neta en el cuerpo por el movimiento fluido es dada por
Donde es la densidad del fluido. Esta integral de contorno se puede calcular computacionalmente mediante el teorema de los residuos.
CONCLUSIONES
Osborne Reynolds fue un ingeniero físico que se especializo en la investigación sobre las condiciones de circulación de fluidos, definiendo así el número de Reynolds que nos permite diferenciar entre un flujo laminar, en transición y turbulento. La aproximación de Boussinesq, llamada así en honor al matemático físico Joseph Valentin Boussinesq para las ondas de agua es una aproximación válida para débilmente no lineales y olas bastante largos. El primero de ellos deriva en respuesta a la observación de John Scott Russell del ola de traducción. Ludwig Prandtl fue un ingeniero y físico, maestro de muchos otros investigadores. Realizó el concepto de capa límite para definir la porción de fluido en contacto con la superficie de un cuerpo sólido sumergido en él y en movimiento relativo. Henry Philibert Gaspard Garcy, más conocido como Darcy, junto con Julius Ludwig Weisbach establecieron la ecuación de Darcy-Weisbach, esta es una ecuación ampliamente usada en hidráulica. Permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería llena.
COMENTARIOS Es interesante conocer los nombres de algunos investigadores, físicos y/o ingenieros que en el transcurso del tiempo lograron establecer tanto hipótesis que posteriormente, tal vez con ayuda de otro físico, se lograron convertir en teoremas comprobados; como fórmulas sobre el comportamiento de diversos tipos de flujo y que hasta el día de hoy se utilizan para realizar los cálculos en sistemas de riego, conductos de agua o desagüe, etc. Todos los investigadores que beneficiaron enormemente a generaciones futuras deben ser debidamente reconocidos por su esfuerzo y dedicación; es por este motivo que como estudiantes de Ingeniería Civil, nosotros debemos darnos el tiempo para leer y entender la investigación de estos grandes modelos a seguir. Cualquier persona es capaz de aplicar una fórmula con variables, pero como futuros ingenieros es nuestro deber conocer de donde provienen las fórmulas que nos reducen enormemente el tiempo en el cálculo. Valoramos mucho la dedicación de aquellos físicos e ingenieros que dieron su tiempo para estudiar las diferentes incógnitas de la hidráulica, es por esto que estudiamos sus biografías.
RECOMENDACIONES
Estudiar las pautas que llevaron a grandes investigadores como los mencionados a la resolución de incógnitas para así entender el procedimiento que ellos realizaron. Tomar en cuenta el orden cronológico de los hechos, tal vez realizando una línea de tiempo, para así entender la evolución de la hidráulica. Conocer algunos datos puntuales de cada autor como la fecha de nacimiento y fallecimiento, así como el lugar. Siempre buscar las biografías de los creadores de alguna fórmula o investigación que veremos a lo largo del curso, ya que ellos dedicaron su vida a la investigación, nosotros debemos atribuirles sus logros.
GLOSARIO AERODINÁMICA.- Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los gases sobre los cuerpos estacionados y el comportamiento de los cuerpos que se mueven en el aire. AERONÁUTICA.- Es la disciplina que se dedica al estudio, diseño y manufactura de aparatos mecánicos capaces de elevarse en vuelo, así como el conjunto de las técnicas que permiten el control de aeronaves. DIFUSIVIDAD.- En la física, el coeficiente de difusión es un valor que representa la facilidad con que cada soluto en particular se mueve en un disolvente determinado. EDDIES.- Es el remolino de un fluido y la corriente inversa creado cuando los flujos de fluido pasa un obstáculo. FLUCTUANTES.- (Fluctuante) que muestra niveles variables o un movimiento ondulante. HIDRODINÁMICA.- Parte de la dinámica que estudia el movimiento de los líquidos en relación con las causas que lo originan. OLEOSOS.- (Oleoso) En bioquímica, grasa es un término genérico para designar varias clases de lípidos, aunque generalmente se refiere a los acilglicéridos, ésteres en los que uno, dos o tres ácidos grasos se unen a una molécula de glicerina, formando monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos. PREDICTIVOS.- (Predictivo) Que es predecible, ya se conoce. TERMODIFUSÓMETRO.- Aparato inventado por Osborne Reynolds.
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