Flujo de líquido por una tubería
De Laplace
1 Enunciado
Por el interior de una tubería cilíndrica de radio a fluye un líquido con una velocidad, dependiente de la distancia al eje, ρ, como
![\mathbf{v} = v_0\left(1-\frac{\rho^2}{a^2}\right)\mathbf{u}_{z}](/wiki/images/math/9/8/2/9822d72bc65d68a57cfff9e19a8f0e5e.png)
El líquido posee una densidad de carga uniforme ρ0, de forma que la densidad de corriente es . En el exterior del tubo no hay corriente.
- Calcule la intensidad de corriente que atraviesa una sección por la tubería.
- Si se desea que por la superficie del tubo circule una corriente superficial
, de forma que la corriente total sea nula, ¿cuánto debe valer
?
2 Intensidad de corriente
La intensidad de corriente es igual al flujo de la densidad de corriente a través de una superficie abierta atravesada por ésta. En este sistema la superficie más adecuada es una sección circular de la tubería, perpendicular a su eje.
En coordenadas cilíndricas esta superficie es z = z0 = cte, lo que nos da la intensidad
![I = \int_S \mathbf{J}\cdot\mathrm{d}\mathbf{S} = \int_0^{2\pi}\int_0^a \left(v_0\left(1-\frac{\rho^2}{a^2}\right)\mathbf{u}_{z}\right)\cdot\left(\rho\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\varphi\,\mathbf{u}_z\right)](/wiki/images/math/0/2/0/020d503d6acf150ce14920f3252c7dfc.png)
El producto escalar vale la unidad, pues la corriente y el vector normal a la superficie son vectores paralelos. La integral en nos da un factor 2π, mientras que la integral en ρ es una polinómica. La corriente vale entonces
![I = 2\pi\rho_0v_0 \int_0^a \left(\rho-\frac{\rho^3}{a^2}\right)\,\mathrm{d}\rho = \frac{\pi\rho_0v_0a^2}{2}](/wiki/images/math/d/0/8/d086f47ea847348488645c1a99a391ce.png)
3 Corriente superficial
Si existe una corriente de retorno uniforme
![\mathbf{K}=K_0\mathbf{u}_z\,](/wiki/images/math/e/4/a/e4ade8a3e526b8c586750e2cdfcbb3b8.png)
sobre la superficie del tubo, la intensidad de corriente asociada a esta densidad es
![I_1 = \int_\Gamma \mathbf{K}\cdot\mathbf{n}_1\,\mathrm{d}l](/wiki/images/math/9/2/b/92b713de1c5071f761ae3b05a67d1cd7.png)
siendo Γ una curva atravesada por la corriente superficial y un vector unitario normal a la curva Γ y tangente a la superficie por la que fluye la corriente. En nuestro caso lo más simple es tomar Γ como una circunferencia que corta al tubo (el borde del círculo que hemos considerado antes con la corriente de volumen).
Para esta curva
![\mathrm{d}l = \rho\,\mathrm{d}\varphi=a\,\mathrm{d}\varphi](/wiki/images/math/1/c/0/1c04c9450db902470a82a3748aa45ad2.png)
![\mathbf{n}_1=\mathbf{u}_z\,](/wiki/images/math/0/9/6/0960ed748f3278aa66da4e9cb4a8dfa3.png)
y nos queda una intensidad de corriente sobre la superficie
![I_1 = \int_0^{2\pi}\left(K_0\,\mathbf{u}_z\right)\cdot\left(\mathbf{u}_z\,a\,\mathrm{d}\varphi\right) = 2\pi a K_0](/wiki/images/math/e/9/e/e9ea1976c7ef4cff5b6556be3c48fa19.png)
Si esta corriente debe cancelar la que fluye por el interior de la tubería, su valor debe ser
![I_1 = -I\,](/wiki/images/math/6/5/f/65ff3f038ef4852e0b391709140b1532.png)
![\Rightarrow](/wiki/images/math/d/f/0/df09aea884019cb88a2957126faba316.png)
![2\pi a K_0 = -\frac{\pi\rho_0v_0a^2}{2}](/wiki/images/math/8/9/d/89d1c70515a848c1b82313d6d072e8c2.png)
![\Rightarrow](/wiki/images/math/d/f/0/df09aea884019cb88a2957126faba316.png)
![\mathbf{K} = -\frac{\rho_0v_0a}{4}\,\mathbf{u}_z](/wiki/images/math/0/4/4/04402d9b70b334eef33f5049add81486.png)
Esta corriente, por supuesto, fluye en sentido opuesto a la que va el interior de la tubería.