Misconceptions

Hoy leí Osmosis Confusion: 60 Years and counting, una entrada publicada en uno de los blogs de Scientific American, que trata sobre una explicación incorrecta para el fenómeno de la ósmosis, al parecer, particularmente difícil de erradicar. Sinceramente, no recuerdo haber estudiado a la ósmosis como un fenómeno difusivo. De hecho, si bien conocía el fenómeno, hasta hoy su explicación era una más entre las tantas cosas que ignoro. Todo esto viene a cuento porque la lectura me hizo recordar algunas explicaciones que en su momento creí entender, y tiempo después descubrí erróneas.  Acá van:

Sustentación en perfiles alares

En la escuela tuve «aerodinámica». Ahí aprendí que la sustentación en los perfiles alares tiene lugar porque las moléculas de aire, cercanas  al llegar al borde de ataque, deben reencontrarse al pasar el borde de fuga. Al ser el recorrido por el extradós más largo que el correspondiente al intradós, necesariamente la velocidad del aire por encima del perfil ha de ser mayor que la velocidad debajo del mismo. Invocando entonces el principio de Bernoulli, encontramos que la presión en el intradós es mayor a la presión en el extradós, y así aparece una fuerza neta hacia arriba sobre el perfil. Esa fuerza sería la sustentación.

Bueno, resulta que esto está mal. No es cierto que moléculas cercanas en la zona del borde de ataque tengan que seguir siendo cercanas al pasar por el borde de fuga (simplemente no tienen por qué serlo), y de hecho no sucede. Es claro entonces que tampoco es necesario que la distancia a recorrer en el extradós sea mayor que en el intradós. ¿Cómo se produce entonces la sustentación?

Más que la forma del perfil, la responsabilidad por la sustentación recae sobre el ángulo de ataque.

En el .gif de arriba (Wikipedia) el perfil tiene un ángulo de ataque de 8º. Lo primero a notar es que las partículas que llegan juntas al borde de ataque no se encuentran en el borde de fuga, como supone el argumento basado en el principio de Bernoulli. Lo siguiente es la dirección del flujo: Los diferentes colores representan diferentes líneas de corriente. A simple vista se ve que el fluido, que llega con velocidad horizontal al borde de ataque, sale deflectado hacia abajo en el borde de fuga, es decir, la circulación alrededor del perfil tiene como consecuencia una variación en el momento del fluido. Por la segunda ley de Newton, se deduce que el perfil ejerce una fuerza hacia abajo sobre el fluido, y por la tercera ley de Newton, el fluido ejerce sobre el perfil una fuerza de igual intensidad, en sentido contrario. Esta fuerza, es la sustentación.

Carácter adiabático de la propagación de ondas de presión

Este ejemplo fue el primero que se me vino a la cabeza cuando leí la nota en Scientific American, ya que implica un fenómeno difusivo. Cuando estudié ondas sonoras en uno de los cursos de física general, acepté como argumento válido el que la propagación de ondas sonoras en un gas es un proceso adiabático, porque la frecuencia de la variación local en la presión y temperatura del aire es demasiado rápida como para que tenga lugar una transferencia de calor apreciable. Esta vez no me lo contaron, sino que lo leí de un libro, probablemente una edición vieja del Resnick.

No es obvio que el argumento esté mal, y de hecho hasta es intuitivo. En las zonas de máxima presión la temperatura es más alta, por lo que es esperable que tenga lugar una transferencia de calor hacia la zona de menor presión. Pero para que la transferencia suceda, el calor debe propagarse a una distancia de media longitud de onda (λ) en un tiempo menor a la mitad del período. No cuesta mucho convencerse de que a altas frecuencias la transferencia de calor no puede tener lugar por «falta de tiempo»… y sin embargo esta justificación es incorrecta.

La falla está en que nunca se dijo cómo es que la transferencia de calor se produce. A temperaturas normales la transferencia de calor es esencialmente debida a la conducción, por lo que el tiempo requerido para la transferencia de calor va como el cuadrado de la distancia. Así, si bien el tiempo disponible para que la transferencia de calor tenga lugar decrece al aumentar la frecuencia, la longitud de onda decrece más rápido, por lo que aumentar la frecuencia no nos acerca al régimen adiabático, sino que nos aleja.

La explicación correcta es exactamente la contraria: el proceso es adiabático porque los cambios en la presión, y por lo tanto en la temperatura, son tan lentos que no es posible una transferencia de calor apreciable.

El punte de Tacoma Narrows

Esto no me acuerdo de dónde lo saqué, probablemente lo haya visto en la tele. Para contar por qué la explicación más difundida es incorrecta, este video de minutephysics (con mención al caso de las «hamacas de Firmat»).

Seguro hay varias otras cosas que creo entender, y resultan estar mal. Ya me voy a enterar.