Física - Magnitudes físicas

caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal,...) por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Definición matemática[editar]

En el caso de que el flujo sea normal a la superficie o sección considerada, de área A, entre el caudal y la velocidad promedio del fluido existe la relación:

${\displaystyle Q=A\,{\bar {v}}}$

donde

• ${\displaystyle Q}$ Caudal ([L³T⁻¹]; m³/s)
• ${\displaystyle A}$ Es el área ([L²]; m²)
• ${\displaystyle {\bar {v}}}$ Es la velocidad promedio. ([LT⁻¹]; m/s)

En el caso de que velocidad del fluido forme un ángulo θ con la perpendicular a la sección de área A atravesada por el fluido con velocidad uniforme v, entonces el flujo se calcula como:

${\displaystyle Q=A\,v\cos \theta .}$

En el caso particular de que el flujo sea perpendicular al área A (por tanto θ = 0 y ${\displaystyle \cos \theta =1}$) entonces el flujo vale:

${\displaystyle Q=A\,v.}$

Si la velocidad del fluido no es uniforme o si el área no es plana, el flujo debe calcularse por medio de una integral:

${\displaystyle Q=\iint _{S}\mathbf {v} \cdot d\mathbf {S} }$

donde dS es el vector superficie, que se define como

${\displaystyle d\mathbf {S} =\mathbf {n} \,dS,}$

donde n es el vector unitario normal a la superficie y dS un elemento diferencial de área.

Si se tiene una superficie S que encierra un volumen V, el teorema de la divergencia establece que el flujo a través de la superficie es la integral de la divergencia de la velocidad v en ese volumen:

${\displaystyle \iint _{S}\mathbf {v} \cdot d\mathbf {S} =\iiint _{V}\left(\nabla \cdot \mathbf {v} \right)dV.}$

En física e ingeniería, caudal es la cantidad de fluido que circula por unidad de tiempo en determinado sistema o elemento. Se expresa en la unidad de volumen dividida por la unidad de tiempo (e.g.: m³/s).

En el caso de cuencas de ríos o arroyos, los caudales generalmente se expresan en metros cúbicos por segundoo miles de metros cúbicos por segundo. Son variables en tiempo y en el espacio y esta evolución se puede representar con los denominados hidrogramas.

El caudal en la ingeniería agrícola e hidráulica[editar]

El caudal de un río es fundamental en el dimensionamiento de presas, embalses y obras de control de avenidas. Dependiendo del tipo de obra, se emplean los caudales medios diarios, con un determinado tiempo de recurrencia o tiempo de retorno, o los caudales máximos instantáneos. La forma de obtención de uno y otro es diferente y, mientras para los primeros se puede tomar como base los valores registrados en una estación de medición, durante un número considerable de años, para los segundos, es decir para los máximos instantáneos, muy frecuentemente se deben calcular a través de modelos matemáticos.

La medición práctica del caudal líquido en las diversas obras hidráulicas, tiene una importancia muy grande, ya que de estas mediciones depende muchas veces el buen funcionamiento del sistema hidráulico como un todo, y en muchos casos es fundamental para garantizar la seguridad de la estructura. Existen diversos procedimientos para la determinación del caudal instantáneo. En el artículo medición del caudal se presentan algunas.

La celeridad¹​ o rapidez²​ es la relación entre la distancia recorrida y el tiempo empleado en completarla. Su magnitud se designa como v. La celeridad es una magnitud escalar de dimensión³​⁴​ [L]/[T]. La celeridad tiene la misma dimensión que la velocidad, pero no el carácter vectorialde esta. La celeridad instantánea representa justamente el módulo de la velocidad instantánea. La diferencia entre velocidad y celeridad es que la velocidad tiene un carácter vectorial y la celeridad es tan solo el módulo de dicha magnitud.⁵​

Aunque los términos de celeridad o rapidez son apropiados cuando deseamos referirnos inequívocamente al módulo de la velocidad, es correcto y de uso corriente (no sólo en el uso popular, sino también en el científico y técnico) utilizar los términos velocidad, celeridad y rapidezcomo sinónimos. Esto es así para la totalidad de las magnitudes vectoriales (aceleración, fuerza, momento, cantidad de movimiento, etc.) a cuyos módulos no se les asigna nombres específicos.

Definición de los vectores velocidad media e instantánea.

Celeridad media[editar]

La celeridad media se define como:

${\displaystyle v={\frac {\Delta s}{\Delta t}}}$

donde Δs es la distancia recorrida (longitud de arco, en la figura).

Ejemplo:

Si un móvil recorre una distancia de 20 cm en 4 s, su celeridad es:

${\displaystyle v={\frac {20\ {\text{cm}}}{4\ {\text{s}}}}={5\ {\text{cm/s}}}}$

La celeridad media o promedio es el término que se suele usar para referirnos a la celeridad media.

La celeridad en sí es una magnitud escalar que relaciona la distancia recorrida con el tiempo y se calcula dividiendo la distancia total recorrida entre el intervalo total de tiempo necesario para recorrer esa distancia..

La celeridad media de un cuerpo es la relación entre la distancia que recorre y el tiempo que tarda en recorrerla. Si la rapidez media de un coche es 80 km/h, esto quiere decir que el coche recorre una distancia de 80 km en cada hora.

Un objeto en movimiento recorre una cierta distancia en un tiempo determinado. Un auto, por ejemplo, recorre un cierto número de kilómetros en una hora. La celeridad es una medida de que tán aprisa se mueve un objeto. La celeridad se expresa siempre en términos de una unidad de distancia dividida entre una unidad de tiempo: metros/segundo (m/s), kilómetros/hora (km/h), ....

Velocidad y celeridad instantáneas[editar]

Se las define matemáticamente como:

${\displaystyle \mathbf {v} ={\frac {{\text{d}}\mathbf {r} }{{\text{d}}t}}}$

${\displaystyle v=\vert \mathbf {v} \vert ={\frac {{\text{d}}s}{{\text{d}}t}}}$

donde dr es el vector desplazamiento y ds es la distancia, medida sobre la trayectoria, asociada al desplazamiento.

Podemos expresar el vector velocidad en la forma

${\displaystyle \mathbf {v} =v\mathbf {e_{\text{t}}} }$

donde e_t es el vector unitario en la dirección de la velocidad, tangente a la trayectoria, por lo que recibe el nombre de versor tangente.

Los velocímetros de que disponen los vehículos miden el módulo de la velocidad instantánea, esto es, la celeridad.

Unidades de celeridad[editar]

• Metros por segundo: (símbolo, m/s, ms^-1) medida del SI
• Centímetros por segundo: (símbolo, cm/s, cm s^-1)
• Kilómetros por hora: (símbolo, km/h)
• Millas por hora: (abreviatura, m.p.h.)
• Milla náutica por hora (knot): (símbolo kt)
• Mach: 1 mach es la velocidad del sonido, n-machs es n veces la velocidad del sonido.

1 mach ≈ 340  m/s ≈ 1224 km/h

• Velocidad de la luz en el vacío: (símbolo c) es una unidad natural

c = 299 792 458 m/s

Conversiones[editar]

1 m/s = 3,6 km/h

1 mph = 1,609 km/h

1 knot = 1,852 km/h = 0,514 m/s

Velocidades promedio[editar]

• La rapidez de un caracol común es 0,001 m/s; 0,0036 km/h; 0,0023 mph.
• Una caminata rápida: 1,667 m/s; 6 km/h; 3,75 mph.
• Velocistas olímpicos (100 metros lisos): 10 m/s; 36 km/h; 22,5 mph.
• Rapidez límite en una autopista de Francia es 36,111 m/s; 130 km/h; 80 mph.
• Rapidez de crucero de un Boeing 747-8 = 290,947 m/s; 1047,41 km/h; 650,83 mph; (oficialmente 0,85 Machs)
• Récord oficial de rapidez en el aire es 980,278 m/s; 3529 km/h; 2188 mph.
• Reentrada de un trasbordador espacial es 7777,778 m/s; 28 000 km/h; 17 500 mph.
• Velocidad del sonido: en el aire = 340 m/s; en agua = 1500 m/s
• Elevador del observatorio de Taipéi: 16,667 m/s; 60,6 km/h; 37,6 mph

El coeficiente de conductividad térmica es una característica de cada sustancia y expresa la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Su símbolo es la letra griega λ.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en vatios / (metro × kelvin) (W/(m·K)), en kilocaloría / (hora × metro × kelvin) (kcal/(h·m·K)) en el sistema técnico, y en BTU / (hora × pie × Fahrenheit) (BTU/(h·ft·°F)) en el sistema anglosajón.

El coeficiente de conductividad térmica expresa la cantidad o flujo de calor que pasa, por unidad de tiempo, a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias.

Este coeficiente varía con las condiciones del material (humedad que contiene, temperatura a la que se hace la medición), por lo que se fijan condiciones para hacerlo, generalmente para material seco y 15 °C (temperatura media de trabajo de los materiales de construcción) y en otras ocasiones, 300 K (26,84 °C).

Algunos valores típicos de conductividad térmica (${\displaystyle \lambda }$)[editar]

Material	Conductividad Térmica (W/(m·K))
Acero	47 - 581​
Acero inoxidable	16,32​
Agua	0,58
Aire	0,024
Alcohol	0,161​
Alpaca	29,11​
Aluminio	209,31​
Amianto	0,041​
Bronce	116-1861​
Cobre	372,1-385,21​
Corcho	0,04-0,301​
Estaño	64,01​
Fibra de vidrio	0,03-0,071​
Glicerina	0,291​
Hierro dulce	79,5[cita requerida]
Ladrillo	0,801​
Ladrillo refractario	0,47-1,051​
Latón	81 - 1161​
Litio	301,21​
Madera	0,131​
Mercurio	83,71​
Mica Moscovita	0,351​
Níquel	52,31​
Oro	308,21​
Parafina	0,211​
Plata	406,1-418,71​
Plomo	35,01​
Poliestireno expandido	0,025-0,045
Poliuretano	0,018-0,025
Vidrio	0,6 - 11​
Zinc	106-140[