Como usar Mathematica en la materia

Mathematica es un software que puede resultarles muy útil y que deberían manejar con cierta fluidez. En Mathematica, curvas de nivel (curvas correspondientes a valores constantes de una función) se grafican con el comando “ContourPlot”. La sintaxis es:

ContourPlot[funcion, {x,xmin,xmax}, {y,ymin,ymax}, opciones]

donde xmin, xmax, ymin y ymax son los extremos mínimos y máximos para los ejes x e y en el gráfico. De las opciones, la mas útil es “PlotPoints”, que permite cambiar el número de puntos que Mathematica usa en cada eje para calcular las curvas de nivel (el valor por default es 15, que puede ser insuficiente en muchos casos). Como ejemplo, para un vórtice puntual en el origen, las función corriente es proporcional a log(x^2+y^2), y las lineas de corriente se pueden graficar con el siguiente comando:

ContourPlot[Log[x^2 + y^2], {x, -2, 2}, {y, -2, 2}, PlotPoints->50]

Un ejemplo de como usar Mathematica para graficar lineas de corriente (para el caso de flujo uniforme a través de un cilindro), y de como calcular derivadas de funciones y otras herramientas útiles para estudiar el campo de velocidades generado por un potencial complejo, está disponible aquí (requiere Mathematica 4.0 o mas nuevo). El archivo muestra en detalle cómo a partir de un potencial complejo pueden calcular la función potencial y de corriente, cómo se grafican lineas equipotenciales y de corriente, y cómo se calculan las componentes de la velocidad y los puntos de estancamiento. El archivo tiene también varios comentarios que explican cada paso. El problema que uso como ejemplo en el archivo de Mathematica es el del flujo a través de un cilindro , un problema que veremos en la próxima clase, y en el que el potencial complejo es W(z)=z+1/z.

Pueden ver mas ejemplos en http://demonstrations.wolfram.com/topic.html?topic=Fluid+Mechanics&limit=20

Bernoulli y experimentos caseros

En la clase de hoy vamos a ver la ley de Bernoulli. Les dejo varias demostraciones de la misma, con experimentos que pueden hacer en sus casas:

http://www.efluids.com/efluids/gallery_exp/exp_pages/BendingPaper.jsp
http://www.efluids.com/efluids/gallery_exp/exp_pages/spoon.jsp
http://www.efluids.com/efluids/gallery_exp/exp_pages/TwoBalls.jsp

El principio fundamental en ambos casos es el mismo; en regiones en las que el fluido se mueve con mayor velocidad, la presion es menor, resultando en una fuerza que apunta en sentido contrario al gradiente de presion.

El principio se obtiene de las leyes de conservación, y nos va a ayudar a entender muchos fenómenos en la materia (y muchos fenómenos que ven todos los días y que involucran la dinámica de fluidos).

Lineas de corriente, trazas y trayectorias

Como vimos en clase, hay diferentes formas de visualizar flujos en el laboratorio. Esto genera diferentes conceptos como los de trayectorias, lineas de corriente, y trazas, que muchas veces son mas fáciles de entender en las experiencias que a partir de los ejercicios.

Les dejo varios videos que ilustran estos conceptos a partir de métodos experimentales en fluidos. Primero, algunas visualizaciones de flujos a traves de cilindros, en los casos laminar y turbulento:

http://www.youtube.com/watch?v=j6yB90vno1E
http://www.youtube.com/watch?v=_AJgEa2dbJU

Un video (viejo, pero muy completo) sobre técnicas usuales de visualización en fluidos, en tres partes. En la primera parte, empezando en el minuto 3:13, hay diferentes visualizaciones de flujos en tuberias que se angostan, comparando lineas de corriente, trazas, trayectorias (y otros conceptos). Como los tres videos son largos, es muy recomendable que miren al menos ese segmento del primer video:

http://www.youtube.com/watch?v=DOUfyDHxkYQ
http://www.youtube.com/watch?v=rDhSdtMjSpA
http://www.youtube.com/watch?v=uewkm_pKXOc

Finalmente, la página web de un curso en la Universidad de Colorado sobre visualización en fluidos, para estudiantes de física y de arte. Miren las galerias de imagenes (la página tambien tiene varias clases en formato PDF sobre fluidos y técnicas de visualización):

http://www.colorado.edu/MCEN/flowvis/index.html

Tiempos característicos en fluidos

Abajo dejo dos links interesantes (a videos en YouTube) mostrando propiedades de fluidos no-newtonianos y el efecto del tiempo característico de aplicación de la fuerza. Noten la diferencia en el comportamiento de la maizena al variar el tiempo de aplicación de la fuerza (ya sea por diferencias entre correr y quedarse quieto en el primer video, o por cambios en la frecuencia del generador de onda en el segundo video):

A pool filled with non-newtonian fluid
Non-Newtonian Fluid on a Speaker Cone

Otro ejemplo interesante de como reaccionan los materiales a fuerzas aplicadas con diferentes tiempos característicos es el de la brea. Uno de los experimentos mas extensos en el tiempo para mostrar esto se realiza en Australia, donde desde 1927 observan como la brea fluye lentamente por un embudo (cae una gota cada aproximadamente 10 años):

http://elzo-meridianos.blogspot.com.ar/2008/05/el-experimento-ms-largo-de-la-historia.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Pitch_drop_experiment