A partir del teorema de Bernoulli, sabemos que la presión estática local cambia a medida que lo hace el caudal local. Pero, intuitivamente, ¿por qué debería cambiar la presión estática? ¿Qué es lo que realmente hace que esto ocurra? Consideremos flujos incompresibles e isentrópicos.
Respuestas
¿Demasiados anuncios?Como dice Munson en su libro "Fundamentals of Fluid Mechanics", el trabajo realizado sobre una partícula es igual al cambio de su energía cinética. Es el mismo principio que se utilizaba en mecánica newtoniana en el instituto. En ausencia de fuerzas no conservativas (por ejemplo, la fricción), la energía se conserva. Sólo que en el análisis de los fluidos se pasa de un análisis microscópico de cada partícula a una imagen más macroscópica de las partes de un fluido.
Entonces, aplicando la misma lógica, supongamos que tenemos un tubo cilíndrico horizontal con paredes sin fricción:
[Imagen de Khan academy]
A lo largo de la línea de corriente que atraviesa el centro de la tubería, la ecuación que está a un paso de la fórmula de Bernoulli dice (la energía potencial gravitatoria es la misma a lo largo de la línea de corriente central):
$\frac{dP}{dx}=-\frac{1}{2}\rho\frac{d(v^2)}{dx}=-\rho v\frac{dv}{dx}$ donde $x$ es el parámetro que atraviesa la línea de corriente.
Desde $u>0$ (es la longitud de $\vec{u}$ el vector velocidad), la ecuación anterior nos dice que el fluido se mueve en la dirección en la que disminuye la presión. Se trata de un replanteamiento de la segunda ley de Newton en "lenguaje de fluidos".
Así, en la sección transversal izquierda, si el fluido tiene presión $P_1$ y velocidad $u_1$ y en la sección transversal derecha tiene $P_2$ y $u_2$ la intuición (y la ecuación de continuidad) nos dice que $u_2>u_1$ por lo que esperamos $P_1>P_2$ ya que (a partir de la lógica anterior) la fuerza neta que debe acelerar el fluido de $u_1$ a $u_2$ debe tener una dirección hacia la derecha.
Así es como se conectan la presión local y la velocidad local del fluido. Es una relación "simple" de causa y efecto, la misma relación que se encuentra en el enunciado matemático de la segunda ley de Newton.
Para responder más claramente a su pregunta, si la velocidad en la sección transversal derecha cambia, entonces también la presión allí debe cambiar para tener la fuerza neta correcta que impulse el fluido de $u_1$ a (la nueva) $u_2$ .
El movimiento de un flujo (de un gas o un fluido) sobre una superficie, que tiene la misma temperatura que el flujo parado, provoca una disminución de la presión sobre la superficie porque en ambos casos la temperatura se mantiene igual (lo que significa que la velocidad media de las moléculas o átomos se mantiene igual), y añadir una velocidad a las partículas (del gas o fluido) paralela a la superficie significa que como las velocidades medias de las partículas se mantienen iguales, las velocidades perpendiculares al plano disminuyen, provocando una disminución de la presión. Si las velocidades de las partículas tienen un valor muy alto paralelo a la placa, entonces casi no quedan componentes de las velocidades de las partículas perpendiculares a la superficie para impartir presión a la placa (para que la temperatura permanezca igual las velocidades de las partículas deben permanecer iguales, por lo que en el flujo en movimiento, las partículas tienen una mayor velocidad paralela y para que la temperatura permanezca igual una componente menor perpendicular a la superficie). Casi todas las moléculas o átomos tienen una velocidad (porque la temperatura se mantiene igual que en el flujo sin movimiento) casi paralela a la placa (por supuesto, siempre hay una pequeña componente de velocidad normal a la superficie, que se hace más pequeña a medida que aumenta la velocidad del flujo).