¿Cómo funcionan la Ecuación de Bernoulli y el Efecto Venturi?
En el flujo estacionario de un fluido incompresible a lo largo de una tubería, se cumplen simultáneamente dos leyes fundamentales: la Ecuación de Continuidad (conservación de la masa, $Q = A_1 v_1 = A_2 v_2$) y el Principio de Bernoulli (conservación de la energía mecánica por unidad de volumen): $P_1 + \frac{1}{2}\rho v_1^2 + \rho g z_1 = P_2 + \frac{1}{2}\rho v_2^2 + \rho g z_2$.
Como el área transversal de una tubería circular es proporcional al cuadrado de su diámetro ($A = \frac{\pi D^2}{4}$), si el diámetro se reduce a la mitad en un estrechamiento ($D_2 = \frac{1}{2}D_1$), el área se reduce a la cuarta parte y la velocidad del fluido se multiplica por 4 ($v_2 = 4 v_1$). Este fuerte incremento de la presión dinámica ($\frac{1}{2}\rho v_2^2$) produce una caída inmediata en la presión estática $P_2$, fenómeno descubierto por Giovanni Battista Venturi en 1797 y utilizado en caudalímetros diferenciales, carburadores, eyectores y alas de aeronaves.
Además, el calculador evalúa el Número de Reynolds ($\text{Re} = \frac{\rho v D}{\mu}$) para agua a $20\text{ °C}$ ($\rho = 998\text{ kg/m}^3$, $\mu = 1.002\times 10^{-3}\text{ Pa·s}$), determinando si el régimen hidráulico es laminar ($\text{Re} < 2300$), de transición o turbulento ($\text{Re} > 4000$).
Experimento guiado paso a paso
1. Efecto del estrechamiento al cuadrado: Fija $D_1 = 200\text{ mm}$ y $D_2 = 100\text{ mm}$ con $Q = 45\text{ L/s}$. Observa que la velocidad pasa de $1.43\text{ m/s}$ a $5.73\text{ m/s}$ ($4\times$ mayor) y la columna piezométrica central desciende.
2. Riesgo de cavitación / vacío: Reduce $D_2$ a $55\text{ mm}$ y sube el caudal $Q$ por encima de $80\text{ L/s}$ con $P_1 = 100\text{ kPa}$. Verás cómo la velocidad en la garganta supera los $30\text{ m/s}$ y la presión $P_2$ se vuelve negativa (succión/cavitación).
Preguntas Frecuentes (FAQ)
¿Por qué cae la presión estática en el estrechamiento de un tubo de Venturi?
Por conservación de la masa ($Q = A_1 v_1 = A_2 v_2$), al reducirse el área transversal $A_2$ la velocidad del fluido $v_2$ debe aumentar. Por conservación de la energía (Bernoulli), el aumento de energía cinética por unidad de volumen ($\frac{1}{2}\rho v^2$) se compensa con una caída en la presión estática $P_2$.
¿Cómo se interpreta el Número de Reynolds (Re) en una tubería?
El Número de Reynolds ($\text{Re} = \frac{\rho v D}{\mu}$) relaciona las fuerzas inerciales con las viscosas. En tuberías circulares, si $\text{Re} < 2300$ el flujo es laminar; entre $2300$ y $4000$ es de transición; y si $\text{Re} > 4000$ el flujo es turbulento.
¿Qué ocurre si la presión absoluta en la garganta cae por debajo de la presión de vapor?
Se produce el fenómeno de cavitación: el líquido hierve localmente a temperatura ambiente formando burbujas de vapor que colapsan violentamente al recuperar presión aguas abajo, erosionando tuberías e impulsores.
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