Cómo calcular las tasas de flujo

Encontrar el caudal de agua de un grifo, como un grifo de jardín o un grifo del baño, es un ejercicio sencillo que no requiere más que un balde y un temporizador. Calcular la tasa de flujo en un canal abierto, como un canalón o el lecho de un río, es un poco más complicado, y calcular la tasa de flujo de un líquido dentro de una tubería cerrada es aún más complejo.

La fórmula del caudal, en general, es

dóndeQes el caudal,Aes el área de la sección transversal en un punto en la trayectoria del flujo yves la velocidad del líquido en ese punto. En algunas situaciones, como la del agua que fluye en el lecho de un río, calcularAes difícil y lo mejor que puede hacer es una aproximación. En otros, como el de un fluido que fluye en una tubería cerrada, es difícil de medir.v, pero no es necesario. Si puede medir la presión del fluido, puede utilizar la ley de Poiseuille.

Si necesita conocer el caudal a través de un orificio, como una espita o un emisor de goteo, todo lo que tiene hacer es permitir que un cierto volumen se acumule en un recipiente y medir cuánto tiempo se tarda en acumular. Por ejemplo, puede medir el caudal de un grifo permitiendo que el agua llene un balde de 5 galones y registrando el tiempo. Divida 5 por el tiempo que tardó en obtener la cantidad de galones por unidad de tiempo. Si mide el tiempo en minutos, obtendrá el resultado en galones por minuto.

Para medir el caudal de un orificio pequeño, como el de un emisor de goteo, necesitará un recipiente mucho más pequeño, como un frasco de un cuarto de galón, y una unidad de tiempo más larga, pero el principio es el mismo. Los emisores de goteo generalmente se clasifican en la cantidad de galones por hora que emiten. Un emisor que produce 1 galón por hora llenará un frasco de un cuarto de galón en 15 minutos.

Si puede ver que el fluido fluye, puede medir su velocidad, y eso significa que todo lo que necesita es el área a través de la cual fluye el fluido para calcular la tasa de flujo usando la fórmulaQ​ = ​A​ × ​v​.

Si el fluido fluye a través de un orificio o un tubo transparente, una forma de medir la velocidad es introducir tinte como marcador y medir el tiempo que tarda el tinte en pasar por dos puntos. Después de medir el radio del tubo u orificio, puede calcular el área usando πr​², luego usav​ × ​Apara calcular el caudal.

Para fluir a través de características naturales, como el lecho de un río, debe aproximarse el área. Suponga que la parte más profunda del río es el radio de un canal semicilíndrico. Calcule el área de la sección transversal usando πr​², luego toma la mitad y úsala paraAen la ecuaciónQ​ = ​v​ × ​Apara obtener un caudal aproximado.

Cuando un fluido fluye a través de una tubería cerrada, no puede verlo, por lo que no puede medir su velocidad. Sin embargo, si puede medir la presión del fluido, lo que generalmente es fácil de hacer, usando un manómetro, puede usar la ley de Poiseuille para calcular la tasa de flujo. Según la ley de Poiseuille, el caudalQvaría directamente con la diferencia de presión Δpagentre los extremos de la tubería y la cuarta potencia del radio de la tuberíar​⁴, y varía inversamente con la longitud de la tuberíaL. La ecuación es:

dóndeµes la viscosidad del fluido.

La ley de Poiseuille asume un flujo laminar (no turbulento), que es una suposición segura a presiones bajas y diámetros de tubería pequeños.