Submarinos

y su Relación con los Fluidos

Submarinos y su relación con los fluidos

Para comenzar a estudiar este tema es necesario manejar ciertos términos que aparecerán con frecuencia a lo largo del siguiente ensayo. A continuación encontraremos una reseña de la historia de los submarinos, para luego enfrascarnos en su relación con los fluidos.

Submarino

Nave diseñada para operar bajo el agua. Cuando son utilizadas para la guerra submarina, estas embarcaciones van equipadas con misiles y torpedos, que constituyen su armamento principal. El submarino moderno es un recinto estanco, cuyo casco está soldado y tiene forma cilíndrica con los extremos convexos. Una cámara interior llamada casco presurizado, diseñado para soportar las inmensas presiones de las grandes profundidades oceánicas, ocupa casi todo el espacio. El resto contiene los tanques de lastre situados en una cámara exterior. Del casco se eleva una estructura llamada torrecilla que, en el caso de un submarino nuclear moderno, contiene los periscopios, el radar, las antenas de radio, la chimenea de ventilación y los timones de inmersión. Mientras el submarino se halla en la superficie, la torrecilla se utiliza como puente de mando. Al sumergirse, éste se transfiere a la sala de control, que se encuentra dentro del casco presurizado, justo bajo la torrecilla.

Para sumergir el submarino se introduce agua en los tanques de lastre hasta que se alcanza la profundidad deseada. La vuelta a la superficie se consigue inyectando aire comprimido dentro de esos tanques para expulsar el agua. En la proa o en la torrecilla y en la popa se encuentran los timones de inmersión, superficies horizontales que proporcionan estabilidad a la nave durante su ascenso o descenso.

Los Primeros Submarinos

La primera nave submarina desarrollada con éxito fue un barco de remos hecho de madera cubierto de cuero. Fue construido en Inglaterra hacia 1620 por el inventor holandés Cornelis Drebbel. Según las crónicas de la época, este barco transportó a doce remeros y a varios pasajeros en una serie de viajes bajo el río Támesis, de varias horas de duración. Además, Drebbel utilizó tubos de aire mantenidos en la superficie del agua por flotadores, para asegurar el necesario suministro de oxígeno al barco mientras éste se encontraba bajo el agua.

El primer submarino utilizado en una operación militar tenía forma de huevo y sólo transportaba a una persona. Fue llamado La Tortuga e inventado en la década de 1770 por el ingeniero estadounidense David Bushnell. Esta nave era propulsada por dos dispositivos parecidos a tornillos que se hacían funcionar de forma manual: se sumergía cuando una válvula permitía entrar el agua de mar en un tanque de lastre y se elevaba cuando el agua era expulsada por una bomba manual. La nave se mantenía en posición vertical gracias a unos lastres de plomo. Como no tenía ninguna fuente de oxígeno mientras estaba bajo la superficie, sólo podía sumergirse durante media hora.

En 1800, el inventor estadounidense Robert Fulton construyó un submarino de 6,4 m al que llamó Nautilus. Su forma era similar a la de los submarinos modernos. Fulton introdujo en su nave dos importantes innovaciones: timones horizontales y verticales, y el uso del aire comprimido como fuente de oxígeno durante la inmersión. Al sumergirse, el Nautilus se desplazaba mediante una hélice de cuatro aspas alimentada de forma manual. En la superficie, el barco se desplazaba gracias a unas velas sujetas a un mástil plegable.

El primer submarino realmente práctico, con una fuente de energía eficiente, fue creado por el estadounidense John Philip Holland, quien utilizó un sistema de propulsión dual. Fue botado en 1898 y disponía de un motor de gasolina para moverse en la superficie y de un motor eléctrico para hacerlo bajo el agua. La nave, de unos 16,2 m, fue comprada por el gobierno estadounidense en 1900 y bautizada como USS Holland.

Submarinos del siglo XX

El ingeniero estadounidense Simon Lake hizo varias contribuciones que aún perduran en los submarinos actuales, destacando la superestructura de inundación libre, que diseñó en 1898. En 1906 los alemanes utilizaron motores diesel en submarinos. Con la invención del radar y del torpedo autopropulsado, el submarino se convirtió en un elemento fundamental de las fuerzas navales. Su efectividad bélica quedó demostrada en el transcurso de la I Guerra Mundial, cuando los submarinos alemanes, llamados U-boats, se emplearon contra los barcos mercantes y de guerra aliados. Sus éxitos forzaron la invención de las cargas de profundidad.

Entre este conflicto y la II Guerra Mundial se realizaron varias mejoras en el diseño y en el funcionamiento de los submarinos. Se inventaron los dispositivos acústicos de comunicación y detección de las naves enemigas. Dispositivos de rescate como el pulmón Momsen (un equipo ligero de respiración) se hicieron obligatorios, para que la tripulación lo usara en caso de emergencia. Al iniciarse la II Guerra Mundial, un submarino estadounidense común podía desarrollar una velocidad de 18 nudos en superficie, propulsado por motores diesel, y de 8 nudos bajo el agua con motores eléctricos. Las operaciones submarinas se veían limitadas en el tiempo por la carga máxima admisible por las baterías; por eso, los submarinos estaban obligados a ascender de forma regular.

Durante la II Guerra Mundial los alemanes introdujeron la chimenea de ventilación, que permite que un submarino recargue sus baterías mientras está sumergido a la profundidad del periscopio. Esta chimenea consiste en un tubo largo que sobresale de la superficie del mar en el que se encuentran unos conductos de entrada que suministran oxígeno al motor y conductos de salida para los gases de la combustión. Este dispositivo extendió el alcance de los submarinos de modo sustancial. En 1950, un submarino con chimenea de ventilación logró un récord de navegación submarina al hacerlo desde Hong Kong hasta Honolulú: recorrió una distancia de 8.370 kilómetros en 21 días.

En 1953 se construyó el USS Albacore con un nuevo tipo de casco en forma de gota. Este casco incrementaba tanto la velocidad durante la inmersión que casi todos los submarinos posteriores se han construido con esta forma.

En 1954 se incorporó a la flota británica el HMS Explorer, que se propulsaba por turbinas cuyo combustible era el peróxido de hidrógeno, lo que permitió extender nuevamente el alcance de las inmersiones.

Submarinos Nucleares

La innovación más revolucionaria en la navegación submarina llegó con la aplicación de la energía nuclear a la propulsión de los submarinos. Los submarinos nucleares consumen pequeñas cantidades de energía y apenas hacen ruido. Como llevan a bordo su fuente de energía pueden viajar unos 640.000 kilómetros sin repostar. El reactor nuclear proporciona energía en forma de calor que es convertido en electricidad por los generadores del compartimento de motores. Una hélice propulsa al submarino a través del agua y los timones horizontales guían al submarino en sus maniobras.

El primer submarino nuclear, el Nautilus, se botó en 1954 y estuvo en servicio activo al año siguiente. En 1955, durante una travesía experimental, el submarino navegó en completa sumersión desde Nuevo Londres (Connecticut) hasta San Juan de Puerto Rico: recorrió 2.170 km en 84 horas. Su velocidad de crucero durante la inmersión fue de 20 nudos, con una autonomía prácticamente ilimitada.

En 1988, Estados Unidos tenía 132 submarinos en activo, casi todos propulsados por reactores nucleares. Se estima que la Unión Soviética poseía unos 120 submarinos nucleares.

Mecánica de fluidos

Ahora, que conocemos el aspecto básico de los submarinos, pasaremos al tema central de esta composición, su relación con los fluidos, y para ello debemos partir estudiando la mecánica de fluidos.

Comenzaremos especificando qué entendemos por fluidos:

Fluido es cualquier sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares.

La mecánica de fluidos es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.

La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, o hidrodinámica, que trata de los fluidos en movimiento.

Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.

Estática de Fluidos o Hidrostática

Una característica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie —la presión— que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera perpendicular, la fuerza tendría una componente tangencial no equilibrada y el fluido se movería a lo largo de la pared.

Este concepto fue formulado por primera vez en una forma un poco más amplia por el matemático y filósofo francés Blaise Pascal en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicho principio, que tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica, afirma que la presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debidas al peso del fluido y a la profundidad.

El segundo principio importante de la estática de fluidos fue descubierto por el matemático y filósofo griego Arquímedes. El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.

El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de flotación se llama centro de flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.

El principio de Arquímedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen). Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.

Dinámica de Fluidos o Hidrodinámica

Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos.

El interés por la dinámica de fluidos se remonta a las aplicaciones más antiguas de los fluidos en ingeniería. Arquímedes realizó una de las primeras contribuciones con la invención, que se le atribuye tradicionalmente, del tornillo sin fin. La acción impulsora del tornillo de Arquímedes es similar a la de la pieza semejante a un sacacorchos que tienen las picadoras de carne manuales. Los romanos desarrollaron otras máquinas y mecanismos hidráulicos; no sólo empleaban el tornillo de Arquímedes para bombear agua en agricultura y minería, sino que también construyeron extensos sistemas de acueductos, algunos de los cuales todavía funcionan. En el siglo I a.C., el arquitecto e ingeniero romano Vitrubio inventó la rueda hidráulica horizontal, con lo que revolucionó la técnica de moler grano.

A pesar de estas tempranas aplicaciones de la dinámica de fluidos, apenas se comprendía la teoría básica, por lo que su desarrollo se vio frenado. Después de Arquímedes pasaron más de 1.800 años antes de que se produjera el siguiente avance científico significativo, debido al matemático y físico italiano Evangelista Torricelli, que inventó el barómetro en 1643 y formuló el teorema de Torricelli, que relaciona la velocidad de salida de un líquido a través de un orificio de un recipiente, con la altura del líquido situado por encima de dicho agujero. El siguiente gran avance en el desarrollo de la mecánica de fluidos tubo que esperar a la formulación de las leyes del movimiento por el matemático y físico inglés Isaac Newton. Estas leyes fueron aplicadas por primera vez a los fluidos por el matemático suizo Leonhard Euler, quien dedujo las ecuaciones básicas para un fluido sin rozamiento (no viscoso).

Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin embargo, como esto nunca es así en el caso de los fluidos reales en movimiento, los resultados de dicho análisis sólo pueden servir como estimación para flujos en los que los efectos de la viscosidad son pequeños.

Flujos Incompresibles y sin rozamiento

Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Este principio es importante para la medida de flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo.

Flujos Viscosos: Movimiento Laminar y Turbulento

Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente en 1839 por el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las características del flujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad. Este problema no se resolvió hasta 1883, cuando el ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales coinciden con las predicciones analíticas. A velocidades más elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente. Reynolds también determinó que la transición del flujo laminar al turbulento era función de un único parámetro, que desde entonces se conoce como número de Reynolds. Si el número de Reynolds —que carece de dimensiones y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido— es menor de 2.100, el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son más elevados suele ser turbulento. El concepto de número de Reynolds es esencial para gran parte de la moderna mecánica de fluidos.

Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos; gran parte de la investigación moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados.

Flujos de la Capa Límite

Antes de 1860, aproximadamente, el interés de la ingeniería por la mecánica de fluidos se limitaba casi exclusivamente al flujo del agua. El desarrollo de la industria química durante la última parte del siglo XIX dirigió la atención a otros líquidos y a los gases.

La complejidad de los flujos viscosos, y en particular de los flujos turbulentos, restringió en gran medida los avances en la dinámica de fluidos hasta que el ingeniero alemán Ludwig Prandtl observó en 1904 que muchos flujos pueden separarse en dos regiones principales. La región próxima a la superficie está formada por una delgada capa límite donde se concentran los efectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemático. Fuera de esta capa límite, se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, y pueden emplearse las ecuaciones matemáticas más sencillas para flujos no viscosos. La teoría de la capa límite ha hecho posible gran parte del desarrollo de las alas de los aviones modernos y del diseño de turbinas de gas y compresores. El modelo de la capa límite no sólo permitió una formulación mucho más simplificada de las ecuaciones de Navier-Stokes en la región próxima a la superficie del cuerpo, sino que llevó a nuevos avances en la teoría del flujo de fluidos no viscosos, que pueden aplicarse fuera de la capa límite. Gran parte del desarrollo moderno de la mecánica de fluidos, posibilitado por el concepto de capa límite, se ha debido a investigadores como el ingeniero aeronáutico estadounidense de origen húngaro Theodore von Kármán, el matemático alemán Richard von Mises y el físico y meteorólogo británico Geoffrey Ingram Taylor.

Flujos Comprensibles

El interés por los flujos compresibles comenzó con el desarrollo de las turbinas de vapor por el inventor británico Charles Algernon Parsons y el ingeniero sueco Carl Gustaf Patrik de Laval durante la década de 1880. En esos mecanismos se descubrió por primera vez el flujo rápido de vapor a través de tubos, y la necesidad de un diseño eficiente de turbinas llevó a una mejora del análisis de los flujos compresibles. Pero los avances modernos tuvieron que esperar al estímulo que supuso el desarrollo de la turbina de combustión y la propulsión a chorro en la década de 1930. El interés por los flujos de alta velocidad sobre superficies surgió de forma temprana en los estudios de balística, donde se necesitaba comprender el movimiento de los proyectiles. Los avances más importantes comenzaron hacia el final del siglo XIX, con Prandtl y sus discípulos, entre otros, y crecieron con la introducción de los aviones de alta velocidad y los cohetes en la II Guerra Mundial.

Uno de los principios básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas cambia cuando el gas se ve sometido a grandes cambios de velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura también cambia, lo que lleva a problemas de análisis más complejos. El comportamiento de flujo de un gas compresible depende de si la velocidad de flujo es mayor o menor que la velocidad del sonido. El sonido es la propagación de una pequeña perturbación, u onda de presión, dentro de un fluido. Para un gas, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de su temperatura absoluta. La velocidad del sonido en el aire a 20 °C (293 kelvins en la escala absoluta), es de unos 344 metros por segundo. Si la velocidad de flujo es menor que la velocidad del sonido (flujo subsónico), las ondas de presión pueden transmitirse a través de todo el fluido y así adaptar el flujo que se dirige hacia un objeto. Por tanto, el flujo subsónico que se dirige hacia el ala de un avión se ajustará con cierta distancia de antelación para fluir suavemente sobre la superficie. En el flujo supersónico, las ondas de presión no pueden viajar corriente arriba para adaptar el flujo. Por ello, el aire que se dirige hacia el ala de un avión en vuelo supersónico no está preparado para la perturbación que va a causar el ala y tiene que cambiar de dirección repentinamente en la proximidad del ala, lo que conlleva una compresión intensa u onda de choque. El ruido asociado con el paso de esta onda de choque sobre los observadores situados en tierra constituye el estampido sónico de los aviones supersónicos. Frecuentemente se identifican los flujos supersónicos por su número de Mach, que es el cociente entre la velocidad de flujo y la velocidad del sonido. Por tanto, los flujos supersónicos tienen un número de Mach superior a 1.

Fluido, sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares.

Liceo Miguel de Cervantes y Saavedra

Departamento de Física