miércoles, 25 de abril de 2018

La física explica los ruidos que provienen de la casa de tu vecino por las noches

En ocasiones, un extraño sonido parece provenir del final del pasillo o del piso de arriba. Se trata de un ruido metálico, que recuerda al de unas canicas rebotando contra el suelo, como si un vecino gracioso se hubiera propuesto perturbar nuestro sueño de madrugada. ¿Qué ha sido eso? ¿Se habrá caído algo? ¿Hay alguien ahí? En realidad, este sonido tiene una explicación física: en las tuberías ocurre un fenómeno, conocido como «golpe de ariete» o «pulso de Zhukowski», que, por efecto de la presión, produce una repetición de sacudidas en las cañerías que se esconden tras las paredes.

El efecto fue ya fue descubierto en el siglo I d.C. en los sistemas de abastecimiento de agua de Roma. La teoría que lo explicó fue desarrollada por un fisiólogo, Johannes von Kries, que investigaba la circulación sanguínea, y ya en 1898 el ingeniero ruso Nikolay Yegorovich Zhukowsky, entre otros, trasladó estas ideas al campo de la ingeniería.

La causa del fenómeno está en que el agua es elástica. Cuando el líquido está en reposo o avanza por las cañerías, con los grifos abiertos, no hay ningún problema. Pero si una válvula se cierra de golpe, porque alguien se levanta y usa los grifos o porque una lavadora o un lavavajillas finaliza su programa nocturno, el fluido se encuentra de repente con un muro. El líquido que estaba fluyendo se agolpa contra el cierre. El agua que está más atrás empuja contra la que está delante y se produce una sobrepresión 60 o 100 veces superior a la habitual, lo que tiene dos efectos: el líquido se contrae y la tubería se expande.

Detengamos el tiempo en ese instante para entender lo que pasa dentro de la tubería. En la parte próxima a la válvula hay una presión muy alta. Al mismo tiempo, la tubería está ligeramente expandida.

Cuando cesa el impulso que agolpa el agua al final de la tubería, el líquido se libera del exceso de presión y se expande. Al mismo tiempo, la tubería recupera su diámetro original. Ambos fenómenos ocurren a la vez y provocan una potente onda de presión en sentido contrario al que tenía el flujo originalmente. El resultado es que el fluido se desplaza en dirección contraria. Pero como la válvula está cerrada, se produce una presión negativa en la parte de atrás que permite que se formen burbujas, y que, al mismo tiempo, la tubería se contraiga también de forma repentina.

El origen del sonido: en las ondas de choque
Cuando esta onda alcanza el extremo contrario, vuelve a producirse una sobrepresión y una expansión de la tubería, que son más potentes cuanto más largo sea el conducto y cuanto menos tiempo dure el cierre de la válvula. El efecto se repite sucesivamente hasta que se disipa el exceso de energía, a causa de la fricción y de la oposición de las tuberías.

Estas sucesivas ondas de choque, provocadas por la expansión y contracción de las tuberías y la compresión y descompresión del líquido, crean el fantasmal sonido del ariete. A veces parece que alguien está golpeando con una herramienta metálica las tuberías o dejando caer canicas en otro piso.

El golpe de ariete puede romper grifos y válvulas en los extremos de las tuberías. Es capaz de romper conducciones de hierro, deformar conductos de plomo y hacer saltar codos.

Para evitar estos atascos de agua es buena idea usar válvulas que cierran progresivamente el paso de agua y tuberías lo suficientemente anchas.

Además de un problema doméstico, el golpe de ariete es un reto para los ingenieros en grandes instalaciones donde los flujos son muy superiores. Diversos sistemas introducen aire o lo extraen para evitar la generación de burbujas o de vacíos. Se usan válvulas de muelle, torres piezométricas y chimeneas de equilibrio capaces de absorber el exceso de energía. Sin estos sistemas, el efecto ariete tendría consecuencias muy destructivas en tuberías largas y de gran diámetro.





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