Superficie libre

En física, una superficie libre es la superficie de un fluido que está sujeto a una tensión de corte paralela cero,^[1] como el límite entre dos fluidos homogéneos, por ejemplo, agua líquida y el aire en la atmósfera de la Tierra. A diferencia de los líquidos, los gases no pueden formar una superficie libre por sí mismos.^[2][3] Los sólidos fluidizados / licuados, que incluyen lodos, materiales granulares y polvos pueden formar una superficie libre.

Superficie libre del mar, visto desde abajo

Un líquido en un campo gravitatorio formará una superficie libre si no está confinado desde arriba.^[3] Bajo equilibrio mecánico, esta superficie libre debe ser perpendicular a las fuerzas que actúan sobre el líquido; si no, habría una fuerza a lo largo de la superficie y el líquido fluiría en esa dirección.^[4] Por lo tanto, en la superficie de la Tierra, todas las superficies libres de los líquidos son horizontales, a menos que estén perturbadas (excepto los sólidos cercanos que se sumergen en ellos, donde la tensión superficial distorsiona la superficie en una región llamada menisco).^[4]

En un líquido libre que no se ve afectado por fuerzas externas, como un campo gravitatorio, las fuerzas de atracción internas solo desempeñan un papel (por ejemplo, fuerzas de Van der Waals, enlaces de hidrógeno). Su superficie libre asumirá la forma con la menor área de superficie para su volumen: una esfera perfecta. Tal comportamiento puede expresarse en términos de tensión superficial. Se puede demostrar experimentalmente observando un gran glóbulo de aceite colocado debajo de la superficie de una mezcla de agua y alcohol que tiene la misma densidad para que el aceite tenga una flotabilidad neutra.^[5][6]

Olas

Si se altera la superficie libre de un líquido, se producen ondas en la superficie. Estas ondas no son ondas elásticas debido a cualquier fuerza elástica; son ondas de gravedad causadas por la fuerza de la gravedad que tiende a llevar la superficie del líquido alterado a su nivel horizontal. El momentum hace que la onda se sobrepase, oscilando y extendiendo así la perturbación a las porciones adyacentes de la superficie.^[4] La velocidad de las ondas superficiales varía según la raíz cuadrada de la longitud de onda si el líquido es profundo; por lo tanto, las olas largas en el mar van más rápido que las cortas.^[4] Las ondas o ondas muy diminutas no se deben a la gravedad sino a la capilaridad, y tienen propiedades diferentes a las de las olas superficiales oceánicas más largas.^[4] porque la superficie aumenta en área por las ondulaciones y en este caso las fuerzas capilares son grandes comparadas con las fuerzas gravitacionales^[7] Las ondulaciones capilares se amortiguan tanto por la viscosidad de la superficie como por la reología de la superficie.

Rotación

La superficie libre de un líquido en un recipiente giratorio es un paraboloide

Si un líquido está contenido en un recipiente cilíndrico y gira alrededor de un eje vertical que coincide con el eje del cilindro, la superficie libre asumirá una superficie de revolución parabólica conocida como paraboloide. La superficie libre en cada punto está en ángulo recto con respecto a la fuerza que actúa sobre ella, lo que es el resultado de la fuerza de la gravedad y la fuerza centrífuga del movimiento de cada punto en un círculo.^[4] Dado que el espejo principal de un telescopio debe ser parabólico, este principio se utiliza para crear telescopios de espejo líquido.

Si un líquido libre gira alrededor de un eje, la superficie libre tomará la forma de un esferoide oblato: la forma aproximada de la Tierra debido a su bulto ecuatorial.^[8]

Términos relacionados

• En hidrodinámica, la superficie libre se define matemáticamente por la condición de superficie libre, ^[9] es decir, el derivado material sobre la presión es cero:

${\displaystyle \ {\frac {Dp}{Dt}}=0.}$

• En la dinámica de fluidos, un vórtice de superficie libre, también conocido como vórtice o torbellino potencial, se forma en un flujo irrotacional,^[10] por ejemplo cuando se drena una bañera^[11]
• En la arquitectura naval y la seguridad marítima, el efecto de superficie libre se produce cuando los líquidos o materiales granulares debajo de una superficie libre en tanques parcialmente llenos o retenidos se mueven cuando el barco se desplaza.^[12]
• En la ingeniería hidráulica, un chorro de superficie libre es uno donde el arrastre del fluido fuera del chorro es mínimo, en oposición al chorro sumergido donde el efecto de arrastre es significativo. Un chorro de líquido en el aire se aproxima a un chorro de superficie libre.^[13]
• En la mecánica de fluidos, un flujo de superficie libre, también llamado flujo de canal abierto, es el flujo impulsado por la gravedad de un fluido debajo de una superficie libre, típicamente agua que fluye bajo el aire en la atmósfera.^[14]

Véase también

• Efecto de superficie libre
• Tensión de superficie
• Crecimiento del pedestal calentado con láser
• Nivel líquido
• Salpicadura (Mecánica de fluidos)
• Dinámicaa del chapoteo
• Sólido de Riabouchinsky
• Métodos computacionales para flujo de superficie libre.

Referencias

1. «Glossary: Free Surface». Interactive Guide. Vishay Measurements Group. Consultado el 2 de diciembre de 2007. «Surface of a body with no normal stress perpendicular or shear stresses parallel to it…».
2. Superficie libre. McGraw-Diccionario de cerro de Plazos Científicos y Técnicos. McGraw-Compañías de cerro, Inc., 2003. Answers.com. Recuperado encima 2007-12-02.
3. White, Frank (2003). Fluid mechanics. New York: McGraw-Hill. p. 4. ISBN 0-07-240217-2.
4. Rowland, Henry Augustus; Joseph Sweetman Ames (1900). «Free Surface of Liquids». Elements of Physics. American Book Co. pp. 70–71.
5. Millikan, Robert Andrews; Gale, Henry Gordon (1906). «161. Shape assumed by a free liquid». A First Course in Physics. Ginn & company. p. 114. «Since, then, every molecule of a liquid is pulling on every other molecule, any body of liquid which is free to take its natural shape that is which is acted on only by its own cohesive forces, must draw itself together until it has the smallest possible surface compatible with its volume; for, since every molecule in the surface is drawn toward the interior by the attraction of the molecules within, it is clear that molecules must continually move toward the center of the mass until the whole has reached the most compact form possible. Now the geometrical figure which has the smallest area for a given volume is a sphere. We conclude, therefore, that if we could relieve a body of liquid from the action of gravity and other outside forces, it would at once take the form of a perfect sphere.»
6. Dull, Charles Elwood (1922). «92. Shape Assumed by a Free Liquid». Essentials of Modern Physics. New York: H. Holt. «Since the molecules of liquids slide over one another readily, the force of gravity causes the surface of liquids to become level. If the force of gravity can be nullified, a small portion of free liquid will then assume a spherical form.»
7. Gilman, Daniel Coit, ed. (1903). «Hydrostatics». The New International Encyclopædia. Dodd, Mead and Company. p. 739.
8. «Hydrostatics». Appletons' Cyclopædia of Applied Mechanics. New York: D. Appleton and company. 1880. p. 123. «If a perfectly homogeneous mass of liquid be acted upon by a force which varies directly as the distance from the centre of the mass, the free surface will be of spherical form; if the mass rotates about an axis, the form assumed will be that of an oblate spheroid, which is the shape of the earth.»
9. «Free surface». Glossary of Meteorology. American Meteorological Society. Archivado desde el original el 9 de diciembre de 2007. Consultado el 27 de noviembre de 2007.
10. Brighton, John A.; Hughes, William T. (1999). Schaum's outline of theory and problems of fluid dynamics. Boston, Mass: McGraw Hill. p. 51. ISBN 0-07-031118-8. «A simple example of irrotational flow is a whirlpool, which is known as a potential vortex in fluid mechanics.»
11. «Ricerca Italiana - PRIN - Global stability of three-dimensional flows». Archivado desde el original el 9 de febrero de 2012. Consultado el 2 de diciembre de 2007. «The free-surface vortex (whirlpool) that occurs during the draining of a basin has received different interpretations along its history;».
12. «The Free Surface Effect - Stability». Consultado el 2 de diciembre de 2007. «In a partly filled tank or fish hold, the contents will shift with the movement of the boat. This "free surface" effect increases the danger of capsizing.»
13. Suryanarayana, N. V. (2000). «3.2.2 Forced Convection - External Flows». En Kreith, Frank, ed. The CRC Handbook of Thermal Engineering (Mechanical Engineering). Berlin: Springer-Verlag and Heidelberg. pp. 3–44. ISBN 3-540-66349-5. «In free-surface jets — a liquid jet in an atmosphere of air is a good approximation to a free-surface jet — the entrainment effect is usually negligible…».
14. White, Frank M. (2000). «2.5 Open Channel Flow». En Kreith, Frank, ed. The CRC Handbook of Thermal Engineering (Mechanical Engineering). Berlin: Springer-Verlag and Heidelberg. pp. 2–61. ISBN 3-540-66349-5. «The term open channel flow denotes the gravity-driven flow of a liquid with a free surface.»

• Datos: Q1454008