Flujo para niños
El flujo es una idea que describe cómo algo parece pasar o viajar a través de una superficie o material. Es un concepto importante en las matemáticas y la física, que se usa en muchos campos. Imagina que es como la cantidad de algo que atraviesa una "puerta" imaginaria.
En áreas como la transferencia de calor o el movimiento de líquidos, el flujo es una cantidad que nos dice qué tan rápido y en qué dirección se mueve una sustancia o una propiedad. En matemáticas, el flujo se calcula como la suma de la parte de un "campo" (como un campo eléctrico) que atraviesa una superficie de forma perpendicular.
Contenido
El origen de la palabra "Flujo"
La palabra "flujo" viene del latín fluxus, que significa "flujo", y de fluere, que significa "fluir". Un científico muy famoso, Isaac Newton, usó un término parecido, "fluxión", en sus estudios de cálculo.
El concepto de flujo de calor fue muy importante gracias a Joseph Fourier. Él lo definió como una cantidad central para entender cómo se mueve el calor. Más tarde, James Clerk Maxwell también habló del flujo, especialmente en relación con la electricidad y el magnetismo.
Flujo en el transporte de cosas
En el estudio de cómo se mueven las cosas (como el calor, la masa o los líquidos), el flujo se define como la cantidad de una propiedad que pasa por una unidad de área en un tiempo determinado. Piensa en ello como la velocidad con la que algo atraviesa una superficie.
Por ejemplo, si mides cuánta agua pasa por una sección de un río cada segundo y lo divides por el tamaño de esa sección, eso es un tipo de flujo. Otro ejemplo es la cantidad de energía solar que llega a un pedazo de tierra cada segundo, dividida por el área de ese pedazo de tierra.
¿Cómo se calcula el flujo de transporte?
Para entender el flujo, podemos empezar con una idea sencilla y luego hacerla más compleja. Usaremos la letra j para el flujo, q para la cantidad que fluye, t para el tiempo y A para el área.
Primero, el flujo puede ser un número simple:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): j= \frac{I}{A},
donde I es la cantidad que pasa por unidad de tiempo.
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): I= \frac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}.
Aquí, la superficie por donde se mide el flujo es plana y tiene un área A. Se asume que el flujo es el mismo en todas partes y que atraviesa la superficie de forma recta (perpendicular).
Luego, el flujo puede cambiar en diferentes puntos de la superficie. Imagina que el flujo no es constante, sino que varía.
Finalmente, el flujo puede ser un "campo vectorial". Esto significa que en cada punto, el flujo tiene una dirección y una fuerza. Es como si en cada punto de la superficie, el flujo tuviera una flecha que indica hacia dónde va y con qué intensidad.
Propiedades del flujo
Si el flujo atraviesa una superficie formando un ángulo, solo la parte del flujo que es perpendicular a la superficie es la que realmente la atraviesa. La parte que va de lado (tangencial) no contribuye al flujo a través de la superficie.
Para un flujo que es un campo vectorial, podemos sumar todo el flujo que atraviesa una superficie. Esto se hace con una herramienta matemática llamada "integral de superficie".
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \frac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}= \iint_S \mathbf{j} \cdot d\mathbf{A},
Aquí, j es el flujo vectorial y dA representa un pequeño pedazo de la superficie con su dirección.
Si integramos esto durante un tiempo, obtenemos la cantidad total de la propiedad que ha fluido a través de la superficie en ese período.
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): q= \int_{t_1}^{t_2}\iint_S \mathbf{j}\cdot d\mathbf A\, dt.
Ejemplos de flujos de transporte
Existen muchos tipos de flujo en la ciencia:
- Flujo de momento: Es la velocidad a la que se transfiere el movimiento a través de un área.
- Flujo de calor: Es la velocidad a la que el calor pasa a través de un área. Por ejemplo, cómo el calor de una estufa se mueve a través de una olla.
- Flujo de masa: Es la velocidad a la que las moléculas se mueven a través de un área. Esto es importante en la difusión, como cuando el azúcar se disuelve en agua.
- Flujo volumétrico: Es la velocidad a la que un volumen de algo (como agua) pasa a través de un área.
- Flujo radiante: Es la cantidad de energía que se transfiere en forma de luz o radiación a través de un área por segundo. Se usa en astronomía para estudiar las estrellas.
- Flujo de energía: Es la velocidad a la que la energía en general se transfiere a través de un área. El flujo radiante y el flujo de calor son tipos de flujo de energía.
- Flujo de partículas: Es la velocidad a la que las partículas (como electrones o neutrones) se mueven a través de un área.
Estos flujos tienen una dirección y una fuerza en cada punto del espacio.
Difusión química
En la química, el flujo molar (la cantidad de moles que se mueven) de una sustancia se puede calcular usando las leyes de Fick. Esto nos dice cómo una sustancia se esparce o difunde a través de otra.
Flujo como una medida a través de una superficie
En matemáticas, el flujo se representa como una "integral de superficie" de un campo vectorial.
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \Phi_F=\iint_A\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{A}
Aquí, F es el campo vectorial (como un campo eléctrico o magnético) y dA es un pequeño pedazo de la superficie A, que tiene una dirección perpendicular a ella.
Para calcular el flujo, la superficie debe ser "orientable", lo que significa que podemos distinguir dos lados (como el anverso y el reverso de una hoja de papel). También necesitamos decidir qué dirección del flujo se considera positiva.
A menudo, un campo vectorial se dibuja con líneas (llamadas líneas de campo) que muestran la dirección del flujo. La fuerza del campo se representa por la densidad de estas líneas (cuántas líneas hay juntas). El flujo a través de una superficie es como el número de líneas que la atraviesan.
Si la superficie encierra un espacio tridimensional (como una esfera), normalmente el flujo que entra se considera positivo y el que sale, negativo.
El teorema de la divergencia nos dice que el flujo total que sale de una superficie cerrada se puede encontrar sumando el flujo que sale de cada punto dentro de esa región.
Electromagnetismo
El concepto de flujo es muy importante en el estudio de la electricidad y el magnetismo.
Flujo eléctrico
Una carga eléctrica, como un protón, tiene un campo eléctrico a su alrededor. Podemos imaginar este campo como líneas que salen de la carga. El flujo eléctrico es como el "número de líneas de campo" que atraviesan un área determinada.
Matemáticamente, el flujo eléctrico es la suma de la parte perpendicular del campo eléctrico que atraviesa un área. Sus unidades son newtons por culombio por metro cuadrado (N m2/C).
La ley de Gauss nos dice que el flujo del campo eléctrico que sale de una superficie es proporcional a la carga eléctrica que está dentro de esa superficie.
Flujo magnético
La densidad de flujo magnético (también llamada campo magnético) se representa con la letra B. El flujo magnético se define de manera similar al flujo eléctrico:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \Phi_B=\iint_A\mathbf{B}\cdot\mathrm{d}\mathbf{A}
Esta cantidad es clave en la ley de Faraday, que explica cómo un cambio en el flujo magnético a través de un circuito puede generar una corriente eléctrica. Por ejemplo, si mueves un imán cerca de un cable, el flujo magnético a través del cable cambia, y esto puede generar electricidad. Este es el principio de cómo funcionan muchos generadores eléctricos.
Flujo de Poynting
El flujo del vector de Poynting S sobre una superficie nos dice la velocidad a la que la energía electromagnética (como la luz o las ondas de radio) fluye a través de esa superficie.
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \Phi_S=\iint_A\mathbf{S}\cdot\mathrm{d}\mathbf{A}
El flujo del vector de Poynting a través de una superficie es la potencia electromagnética, es decir, la energía por unidad de tiempo, que pasa por esa superficie. Esto se usa mucho para analizar la radiación electromagnética.
Galería de imágenes
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Para calcular el flujo de un campo vectorial (flechas rojas) a través de una superficie, esta se divide en pequeños sectores. El flujo a través de cada sector es igual a la parte perpendicular del campo, multiplicada por el área del sector.
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Visualización del flujo. Los anillos muestran los límites de la superficie. Las flechas rojas representan el flujo de cargas, partículas o energía. El número de flechas que pasan por cada anillo es el flujo.
Véase también
En inglés: Flux Facts for Kids
- Magnitud AB
- Generador de compresión de flujo bombeado explosivamente
- Covarianza de remolinos
- Instalación de Pruebas de Flujo Rápido
- Fluencia
- Fluidodinámica
- Huella de flujo
- Fijación de flujo
- Cuantificación del flujo magnético
- Ley de Gauss
- Ley de la inversa del cuadrado
- Jansky (unidad)
- Calor latente
- Flujo luminoso
- Flujo magnético
- Cuantificación del flujo magnético
- Flujo de neutrones
- Vector de Poynting
- Teorema de Poynting
- Flujo radiante
- Cuanto rápido de flujo único
- Potencia acústica
- Flujo volumétrico
- Caudal volumétrico
