Difusión del momento

La difusión de momento se refiere comúnmente a la propagación del momento entre partículas ( átomos o moléculas ) de materia , generalmente en estado fluido . Este transporte de momento puede ocurrir en cualquier dirección del flujo del fluido. La difusión de momento puede atribuirse a la presión externa , al esfuerzo cortante o a ambos.

Cuando se aplica presión a un fluido incompresible, su velocidad cambia. El fluido acelera o desacelera dependiendo de la dirección relativa de la presión con respecto a la dirección del flujo. Esto se debe a que la aplicación de presión al fluido provoca la difusión del momento en esa dirección. Comprender la naturaleza exacta de la difusión es fundamental para entender la difusión del momento debida a la presión. ^{[ 1 ]}

Un fluido que fluye sobre una placa plana se adhiere a ella en el punto de contacto, lo que se conoce como condición de no deslizamiento . Esto se debe a las fuerzas de adhesión entre la placa plana y el fluido. La presencia de la pared influye en el fluido hasta cierta distancia (en la dirección perpendicular a la superficie de la pared y al flujo), lo que se conoce como capa límite .

Cualquier capa de fluido que no esté en contacto con la pared fluirá a cierta velocidad y quedará intercalada entre dos capas de fluido. La capa inmediatamente superior (que fluye a mayor velocidad) intentará arrastrarla en la dirección del flujo, mientras que la capa inmediatamente inferior (que fluye a menor velocidad) intentará frenarla. La atracción entre las capas del fluido es el resultado de fuerzas cohesivas, y la viscosidad es la propiedad que explica la naturaleza y la intensidad de dichas fuerzas dentro de un fluido.

Es común observar que el fluido en movimiento ejerce una cierta fuerza sobre la placa, intentando arrastrarla en la dirección del flujo. La placa plana ejerce una fuerza igual sobre el fluido. ( Tercera ley de Newton )

Los experimentos sobre el flujo de fluidos paralelo a una placa plana revelan que la fuerza, conocida como esfuerzo cortante, puede expresarse matemáticamente como

$${\displaystyle \tau =-\mu {\frac {du}{dy}}}$$

Tenga en cuenta que esto es válido únicamente para el flujo de fluidos unidimensional en coordenadas rectangulares.${\displaystyle \tau }$es el esfuerzo cortante en cualquier capa del fluido donde${\displaystyle du/dy}$(es decir, el gradiente de velocidad en una dirección perpendicular al flujo y al área de la placa plana), es el gradiente local y${\displaystyle \mu }$es la viscosidad.

Las unidades de esfuerzo cortante son Fuerza/Unidad de Área. Esto es${\displaystyle N/m^{2}}$en el sistema MKS. Esto también puede interpretarse como${\displaystyle kg/m{\cdot }s^{2}}$Sin embargo, estas también son unidades de flujo de momento. Esta es la razón precisa por la que el esfuerzo cortante en un fluido también puede interpretarse como el flujo de momento. La difusión del momento se produce en la dirección de la velocidad decreciente. Esto significa que el momento se transfiere desde el fluido en las capas superiores (que tiene mayor momento) hacia el fluido cercano a la pared (que tiene menor momento debido a su menor velocidad).

La expresión «difusión de momento» también puede referirse a la difusión de la probabilidad de que una sola partícula tenga un momento determinado. ^{[ 2 ]} En este caso, es la función de distribución de probabilidad la que se difunde en el espacio de momentos, en lugar de la cantidad (conservada) de momento la que se difunde entre muchas partículas.