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Océanos de Ciencia

Los mares y océanos han motivado desde siempre a los científicos. La necesidad de orientarse en un entorno cambiante nos ha hecho mirar al cielo y conocer los astros y sus movimientos, hemos creado instrumentos de navegación en los que se dan la mano arte, ciencia y tecnología, y han tenido lugar grandes expediciones científicas que han cambiado la visión del mundo y de nosotros mismos. De todo ello nos habla Manuel Díez Minguito.

Un diseño ganador: Velas (I).

Daniel Bernoulli

Los Bernoulli han pasado a la historia como una familia dedicada a la ciencia, aunque quizás el miembro más prominente de la saga familiar sea Daniel Bernoulli (1700-1782), holandés de origen suizo e hijo de Johann, otro renombrado matemático de principios del s.XVIII. La producción científica y la relevancia del trabajo de Daniel Bernoulli es enorme, con importantes contribuciones a la mecánica de fluidos y gases, astrofísica y matemáticas.

A los 24 años publica sus Exercitationes, en el que investigaba, entre otras cosas, el problema del flujo de agua a través de orificios discutiendo las teorías de Newton al respecto (que eran incorrectas, por cierto). También diseña una ampolleta (reloj de arena) que pudo ser usada en barcos en alta mar, sin que el hilo de arena cese con el fuerte oleaje. Por este diseño consigue el Gran Premio de la prestigiosa Academia de París en 1725. En total ganaría el premio 10 veces por temas de astronomía y náutica: además del citado, en 1734 junto con su padre, en 1737 por el diseño de la forma óptima para las anclas de los navíos, en 1740 por un trabajo sobre la teoría de las mareas de Newton, en 1743 y 1746 por ensayos sobre magnetismo, en 1747 por un método para determinar el tiempo en alta mar, en 1751 por un ensayo en corrientes oceánicas, en 1753 por los efectos de las fuerzas sobre barcos y en 1757 por sus propuestas para reducir las oscilaciones de un barco en alta mar. La lista de temas premiados da una idea de la importancia de los temas navales en la sociedad y la economía del siglo XVIII.

Sin duda, el trabajo más relevante de Daniel Bernouilli fue su Hydrodynamique publicado en 1738. En este trabajo resuelve, finalmente, el problema del flujo de agua a través de orificios, estudia la propulsión de barcos por la fuerza del viento y la fricción de éstos con el agua, discute temas de hidráulica para el bombeo de agua y sienta las bases de la teoría cinética de los gases. También aquí formula su famosa ley de Bernoulli, que ocupa un lugar central en la mecánica de fluidos y de la que les hablamos en este programa.

La ley de Bernoulli es una sencilla relación que vincula la velocidad de un fluido con su presión, y nos dice que entre ambas hay una relación inversa: a mayor presión, menor velocidad, y al revés, a menor presión, mayor velocidad. Ejemplos típicos en los que se pone de manifiesto esta ley son el funcionamiento de una vela o la sustentación del ala de un avión, aunque, naturalmente, para diseñar una vela o el ala de un avión se requiere mucho más que esta sencilla relación.
Realicen con nosotros el siguiente experimento que ilustra el funcionamiento de una vela (véase video adjunto)…

Sostenga una hoja de papel con los dedos de ambas manos como se observa en el video adjunto. Curve el borde horizontal del papel hacia abajo, de tal modo que el papel suba un poco cerca de los dedos y luego se curve hacia abajo. Luego sople por debajo del papel. Observará que el papel, lógicamente, sube. Este es el caso que se corresponde con la idea que tenemos todos del viento soplando por detrás y empujando la vela.

Y si ahora sopla por encima del papel, éste también se levanta. En este caso, este efecto es consecuencia directa de que el aire soplado tiene mayor velocidad que el que queda debajo del papel, generando una presión relativa menor encima del papel, tal y como establece la ley de Bernoulli. Esta fuerza que levanta el papel, se genera igualmente en una vela y es la responsable de succionar o tirar de la vela hacia delante. La fuerza sobre la vela es perpendicular a la vela y eso, normalmente, no suele coincidir con el eje longitudinal del barco (véase figura adjunta). Lo que finalmente hace moverse al barco hacia delante es (además de la fuerza inducida sobre la vela) la de rozamiento del barco con el agua, que sumadas dan una fuerza resultante aproximadamente hacia delante.



REFERENCIAS

- “Interpretation of Bernoulli’s equation” R.P. Bauman and R. Schwaneger. The Physics Teacher, Vol 32, p478 (1994).

- Lift from flow turning

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