ABORDAJE DEL PRINCIPIO DE REYNOLDS EN LOS SUELOS DESDE UN ENFOQUE CUALI-CUANTITATIVO: TRANSDISCIPLINARIDAD STEM

in StemSocial4 months ago

INTRODUCCIÓN

El estudio del principio de Reynolds es un aporte de la hidráulica al campo de la Mecánica de Suelos, que permite definir el campo de acción de la Ley de Darcy en lo que respecta al tipo de flujo que atraviesa una muestra de suelo, dado que si es de régimen turbulento esta ley carece de aplicación. En las referencias N°04 y N°05 se trató el tema de la permeabilidad en los suelos, y en el conversatorio dictado el pasado 13 de mayo del presente se plantean nociones generales en torno a este principio de Reynolds; ahora bien, en esta publicación realizaremos un abordaje cuali -cuantitativo del mismo, realizando unos experimentos caseros que nos van a permitir afianzar la idea de que el flujo de agua en los suelos típicamente tiende a ser laminar.

Imagen N°01: una visión global de los contenidos a estudiar

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. La imágen en recuadro verde es una captura de pantalla del programa Microsoft Excel

DELIMITACIÓN DE LA TEMÁTICA A ABORDAR

En esencia estaremos haciendo unos experimentos caseros que permitan de modo visual captar la idea de la velocidad con la que el agua puede atravesar diferentes muestras de suelo, desde los más gruesos hasta los más finos y a partir de allí desarrollar una postura crítica reflexiva sobre las situaciones que pueden poner en peligro la validez de la ley de Darcy, por lo que el objetivo general de esta publicación es: comprender el principio de Reynolds en los suelos desde un enfoque cualitativo y cuantitativo (cuali-cuantitativo) . Para tal fin los pasos que estaremos desarrollando son los siguientes:

01.-Desarrollar un recurso audiovisual donde se ilustre el nivel de facilidad con la que el agua puede atravesar diversas muestras de suelo.

02.- Realizar un análisis cualitativo de las ideas presentadas en el recurso audiovisual.

03.- Plantear una postura crítica para el caso de R entre 1 y 12 en flujo de agua a través del suelo (enfoque cuantitativo).

Procedamos a desarrollar cada uno de estos pasos, que estructuran el cuerpo de la publicación.

RECURSO AUDIOVISUAL QUE ILUSTRA EL NIVEL DE FACILIDAD CON LA QUE EL AGUA PUEDE ATRAVESAR DIVERSAS MUESTRAS DE SUELO

Haciendo honor al lema de “educar más allá de los muros del aula” este recurso audio- visual busca ser un excelente complemento para los análisis siguientes, así a que te invito a que lo mires detalladamente y vayas planteando una postura crítica hacia los casos en donde el flujo de agua a través del suelo puede llegar a ser turbulento y hasta qué punto este hecho pueda ser común en la práctica. Disfruta del siguiente de video:

Video N°01: Diversos casos de flujo de agua en los suelos “experimentos caseros”

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

ANÁLISIS CUALITATIVO DE LAS IDEAS PRESENTADAS EN EL RECURSO AUDIOVISUAL

A continuación realizaremos un análisis cualitativo de las principales ideas expuestas en el video 01. En líneas generales podemos tener como premisa que en la medida que el suelo se hace más fino la permeabilidad disminuye, es decir, el nivel de facilidad con la que el agua pueda atravesar la muestra es menor, al punto que en el caso de las arcillas lo que pasó de agua fue mínimo.

Imagen N°02: un abordaje cualitativo del principio de Reynolds

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

Estas ideas son complementadas con lo señalado en la referencia N°01:

“En rocas, piedras y gravas fracturadas así como en arenas muy gruesas existen condiciones de flujo turbulento, que hacen que la ley de Darcy no sea válida ”
No obstante tal como se explicó en el video, estos suelos es muy raros encontrarlos puros, dado que lo típico es encontrar mezclas de todos ellos en donde su constitución granulométrica será determinante en la alta o baja permeabilidad, asociado esto a una mala o buena gradación respectivamente. Normalmente en la práctica geotécnica y de la mecánica de suelos con aplicaciones en la ingeniería civil, la ley de Darcy tendrá validez puesto que los retos con los que nos enfrentamos donde la permeabilidad sea una variable necesaria para estudiar, la tendencia será encontrarnos con un flujo laminar, sin descartar por supuesto situaciones extraordinarias como las que señala la referencia 01. En el siguiente tópico se reflexiona sobre estas situaciones en términos cuantitativos, representando de esta misma manera diversas situaciones críticas que el número de Reynolds puede alcanzar ante diversos diámetros de partículas.

POSTURA CRÍTICA PARA EL CASO DE R ENTRE 1 Y 12 EN FLUJO DE AGUA A TRAVÉS DEL SUELO (ENFOQUE CUANTITATIVO)

De seguro te estarás preguntando el porqué de la postura crítica precisamente ante ese rango de “R” y la razón de este hecho tiene como base lo indicado en la referencia N°02, donde se señala:

El valor límite del número de Reynolds para que un flujo cambie de laminar a turbulento oscila entre 1 y 12

Es evidente que este rango está contextualizado al flujo de agua a través de un medio poroso, es decir, el suelo. Dado que en el caso de tuberías, se habla de un R mayor a 3000 para llegar a la condición de turbulento (ver referencia 03). En el siguiente esquema conceptual se desafio este rango de valores de R que hemos señalado.

Imagen N°03: Un abordaje cuantitativo del principio de Reynolds

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

Es interesante que cuando se llega al diámetro frontera entre arenas y gravas, ya se entra en esa condición crítica para que el flujo pase a un régimen turbulento, dado que en estos cálculos aproximados se está dejando constante la velocidad de descarga (0.25cm/seg) la cual es posible que crezca con el aumento de los diámetros. En este sentido de forma cuantitativa podemos afianzar la idea citada en párrafos anteriores, donde se señala que en arenas muy gruesas y gravas fracturadas hay muchas posibilidades de pasar a un flujo turbulento.

CONCLUSIONES

En mi experiencia en el laboratorio de Mecánica de Suelos nunca me topé con suelos encontrados de forma natural netamente limpios, por lo que estas condiciones críticas de flujo no son un acontecimiento típico; lo que sí es típico es presenciar un régimen laminar para el flujo de agua en un suelo. Sin embargo la idea de esta publicación es despertar ese sentido crítico en los estudiosos de estos temas, hacia el hecho de que la ley de Darcy no es inmune a todos los casos de flujo. Quiero confesarle que cuando me topé con esto, inmediatamente pensé en la teoría de la consolidación unidimensional de los suelos, cuyos postulados parten de la Ley de Darcy, la cual aplica con total normalidad puesto que las arcillas (suelos a los que se enfoque esta teoría) son suelos de muy baja permeabilidad lo que condiciona a que el flujo de agua se de en forma laminar. A continuación las principales conclusiones de esta publicación:

01.-En Mecánica de Suelos la condición crítica para que el flujo pase de laminar a turbulento se da para un R entre 1 y 12. Destacando que presenciar un R<1 nos da una mayor tranquilidad para garantizar la validez de la Ley de Darcy, al mismo tiempo que las arenas con mucha frecuencia nos las encontramos de forma natural. En el siguiente esquema conceptual se muestra un cálculo tipo en torno a estos suelos.

Imagen N°04: cálculo de R para arenas gruesas

Fuente: @eliaschess333, año: 2021. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint.

02.-Normalmente en la práctica de la Mecánica de Suelos, la constitución granulométrica será determinante en la velocidad con la que el agua pueda atravesar al suelo, los cuales típicamente los encontramos constituidos por diversos tamaños, demostrando los estudios de gradación que mientras esta sea mejor, la permeabilidad es baja y viceversa.

03.-Es un desafío de la educación fomentar en los estudiantes un pensamiento crítico-reflexivo hacia los contenidos que forman parte de su proceso de aprendizaje, y esta es la razón de ser de esta publicación.

Un placer escribir para la comunidad de StemSocial contenidos en torno a mis principales áreas de formación académica como lo es la geotecnia y la sismorresistencia, tocándole el turno en esta oportunidad a la primera. Bajo el lema de “EDUCAR MÁS ALLÁ DE LOS MUROS DEL AULA” espero hayas disfrutado de los contenidos expuestos. Hasta una próxima oportunidad. Escribió para ustedes:

@eliaschess333

FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS

01.-BRAJA M. DAS. 2001. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA. THOMSON-LEARNING

02.-JUAREZ E. Y RICO A.1974.FLUJO DE AGUA EN SUELOS. TOMO III. EDITORIAL LIMUSA. MÉXICO.

03.-MECÁNICA DE FLUIDOS: VELOCIDAD Y TURBULENCIA. Disponible en: https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10194/Din%C3%A1mica%20de%20fluidos%20viscosos.pdf?sequence=1&isAllowed=y#:~:text=Diversos%20experimentos%20han%20demostrado%20que,de%20un%20tipo%20a%20otro.

LECTURAS RECOMENDADAS

04.-@eliaschess333 (2021). TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ESTUDIO DEL CÁLCULO DE LA PERMEABILIDAD DE UN SUELO DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO Y GEOTÉCNICO. PARTE I. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/transdisciplinaridad-stem-estudio-del-calculo-de-la-permeabilidad-de-un-suelo-desde-un-enfoque-matematico-y-geotecnico-parte-i

05.- @eliaschess333 (2021). TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: ESTUDIO DEL CÁLCULO DE LA PERMEABILIDAD DE UN SUELO DESDE UN ENFOQUE MATEMÁTICO Y GEOTÉCNICO. PARTE II. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/transdisciplinaridad-stem-estudio-del-calculo-de-la-permeabilidad-de-un-suelo-desde-un-enfoque-matematico-y-geotecnico-parte-ii

06.- @eliaschess333 (2021). EL AGUA EN EL SUELO TIENE DIVERSAS PRESENTACIONES. CASO DE INTERÉS: AGUA FREÁTICA #CONVERSATORIO STEM-ESPANOL. Disponible en: https://hive.blog/hive-196387/@eliaschess333/el-agua-en-el-suelo-tiene-diversas-presentaciones-caso-de-interes-agua-freatica-conversatorio-stem-espanol

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Muy buena publicación @eliaschess333 explicado de forma muy didáctica el video para demostrar cómo el agua fluye a través de distintos medios porosos. Gracias por compartir este contenido, saludos y bendiciones!

Gracias estimado @acont por la receptividad brindada. Ya trabajando en otro post asociado a la geotecnia. Saludos!