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Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-04T10:48:21Z

AntonioMaya: /* Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoja de D'Alembert */

En el siguiente articulo vamos a estudiar el flujo de un fluido incompresible alrededor de un obstáculo circular. Trabajaremos con coordenadas cilindricas (polares ya que se reduce al plano) ya que debido a la forma del obstáculo los cálculos resultarán más sencillos. Las gráficas que se mostraran aqui han sido obtenidas con el programa [[MATLAB]].<br />
{{ TrabajoED | Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos. Grupo 7-A | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC15/16|2015-16]] | Enrique Pellico Martín, Eduardo Moreda Meleiro, Rommel Beltran Carrero, Antonio Maya Hidalgo }}
[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC15/16]]

==Introducción==
En primer lugar debemos hacer referencia al concepto de fluido incompresible. Un fluido incompresible es aquel fluido cuya densidad permanece constante con el tiempo y se opone a la compresión bajo cualquier condición. Esto quiere decir que tanto su masa como su volumen permanecerán constantes. Su significado matemático es que dicho fluido tendrá una densidad constante, facilitando los cálculos necesarios.

==Región ocupada por el fluido==
El primer paso para la la visualización de campos escalares y vectoriales de un fluido es delimitar la región de estudio. La región de estudio es una corona circular de radio menor 2 y radio mayor 6.

La representamos mediante un mallado que represente los puntos interiores de la corona circular en el intervalo [−5, 5] × [−5, 5]
[[Archivo:Apartado1 grupoA7 2015-2016.jpg|400px|miniaturadeimagen|right|Región que ocupa el fluido]]
{{matlab|codigo=
%rho=u; phi=v;
%Creamos el mallado.
rho=linspace(2,6,50);
th=linspace(0,2*pi,50);
%generamos la reticula
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%definimos la parametrización
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Dibujamos la malla y definimos los ejes
mesh(X,Y,0*X)
axis([-5,5,-5,5]);
axis equal
}}

==Función potencial y campo de velocidades==
La velocidad de un fluido viene dada por el campo de velocidades de este aplicado en cada punto.

El campo de velocidades deriva de un potencial escalar. Vamos a representar primero el campo escalar y después el campo de velocidades
===Función Potencial===
El campo escalar del que deriva es el siguiente:
[[Archivo:Formula1A7.png|200px|sinmarco|centro]]

Se aprecia como la función potencial crece de izquierda a derecha según la dirección de movimiento del fluido

[[Archivo:Apartado2.1 grupoA7 2015-2016.jpg|600px|miniaturadeimagen|derecha|Representación función potencial]]
{{matlab|codigo=
%Dibujamos la malla
rho=linspace(2,6,40);
th=linspace(0,2*pi,40);
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%dibujamos la función potencial
%primero la superficie
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Despues definimos la función
phi=inline('2*(rho+(4./rho)).*cos(th)','rho','th');
%aplicamos la función
Z=phi(U,V);
%Dibujamos
p=surf(X,Y,Z);
axis equal
view(2)
hold on
%por último dibujamos el obstáculo
plot(2*cos(th),2*sin(th),'k','linewidth',2)
}}
===Campo de velocidades===
El campo de velocidades viene dado por el gradiente de la función potencial <math>\varphi</math>
[[Archivo:Formula2A7.png|300px|sinmarco|centro]]

[[Archivo:Formula3A7.png|400px|sinmarco|centro]]

Su representación viene dada por:
[[Archivo:Apartado2.2 grupoA7 2015-2016.jpg|800px|miniaturadeimagen|derecha|Campo de velocidades <math>\vec{u}</math>]]
{{matlab|codigo=
%Dibujamos la malla
rho=linspace(2,6,30);
th=linspace(0,2*pi,30);
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%dibujamos la función potencial
%primero la superficie
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Despues definimos la función
phi=inline('2*(rho+(4./rho)).*cos(th)','rho','th');
%aplicamos la función
Z=phi(U,V);
%Dibujamos las curvas de nivel
contour(X,Y,Z,40)
%axis([-5,5,-5,5]);
axis equal
view(2)
hold on
%Dibujamos el campo de velocidades del fluido:
%aplicamos las funciones
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
%dibujamos el campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy);
axis equal
view(2)
%por último dibujamos el obstáculo
plot(2*cos(th),2*sin(th),'k','linewidth',2)
hold off
}}
Se ve perfectamente como el fluido evita el obstáculo rodeándolo. Disminuye de velocidad al chocar contra el obstáculo y aumenta al evitarlo.

También vamos a realizar un Zoom sobre la imagen para apreciar en detalle como el campo de velocidades <math>\vec{u}</math> es ortogonal a las curvas de nivel de la función potencial <math>\varphi</math> del que proviene.

Las curvas de nivel de la función potencial representan los puntos del plano en el que esta tiene el mismo valor. Según se ve en el apartado anterior, en la representación gráfica se observa que la función crece de izquierda a derecha evitando el obstáculo.
El campo de velocidades viene dado por el gradiente de esa función. El gradiente representa el valor y la dirección de máximo crecimiento de de la función escalar. Como en las curvas de nivel la función es constante, es decir, en las curvas la variación es 0, la dirección de máximo crecimiento es ortogonal a las curvas de nivel y viene dada por el gradiente, es decir por el campo de velocidades del fluido.

[[Archivo:Apartado2.3 grupoA7 2015-2016.jpg|600px|miniaturadeimagen|centro|Zoom]]
====Campo de velocidades respecto al obstáculo====
====Campo de velocidades lejos del obstáculo====

==Divergencia y rotacional==
Con el estudio de la divergencia y de rotacional se demostrara la incompresibilidad del fluido. Para ello la divergencia tendrá ser nula demostrando así la imposibilidad de variación de volumen, como se interpreta de este operador. Lo comprobamos analíticamente en este apartado.
Al estar en coordenadas cilíndricas el rotacional es:
[[Archivo:Rotacional.PNG|300px|sinmarco|centro]]
Resolviendo:
[[Archivo:Resolucion rotacional.PNG|600px|sinmarco|centro]]
Si hacemos lo mismo con la divergencia observamos que igualmente se anula.

Con la divergencia se demuestra la incompresibilidad del fluido en este caso

=='''Líneas de corriente''' del campo==

Las líneas de corriente son líneas que representadas en el plano definen la trayectoria del campo, en nuestro caso, de las partículas de agua.

Son, a su vez, el potencial de un campo vectorial ortogonal al campo de velocidades. Luego para definir las líneas de corriente se calculará el campo ortogonal y su potencial.

===Campo ortogonal al campo de velocidades===
Este campo obtiene multiplicando escalarmente el vector de posicion k con el campo u. Para facilitar el proceso utilizamos el vector de posición de la coordenada curvilinea gz

====Comprobación gráfia====
*Campo v en coordenadas cartesialas
*Código [[MATLAB]]
[[Archivo:Vyu.png|400px|miniaturadeimagen|right|Campos u y v]]
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Componentes del campo de velocidades en cartesianas
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));

%Componentes del campo v en cartesianas
vx=(2+8./(U.*U)).*sin(V).*cos(V)-(2./U-8./(U.*U.*U)).*cos(V).*sin(V).*U;
vy=(2+8./(U.*U)).*sin(V).*sin(V)+(2./U-8./(U.*U.*U)).*cos(V).*cos(V).*U;

%Dibujo campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo campo v
quiver(X,Y,vx,vy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}

====Observación del rotacional ====
Al ser u de divergencia nula el rotacional de v será nulo:

===Potencial escalar de corriente===

===Representación de las líneas de corriente===
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Potencial escalar. Lineas de corriente
chi=(2*U-8./U).*sin(V);

%Componentes del campo de velocidades en cartesianas
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));

%Dibujo lineas de corriente
contour(X,Y,chi,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on
}}
[[Archivo:Líneas de corriente.jpg|600px|thumb|centro|Líneas de corriente y campo de veocidades]]
====Observaciones====
# Podemos observar que la velocidad es tangente a las líneas de corriente realizando un zoom en la representación anterior
[[Archivo:La velocidad es tangente.jpg|200px|thumb|centro|Velocidad y líneas de corriente. Zoom]]
# Observamos la ortogonalidad de las líneas de corriente con el campo equipotencial ejecutando el código [[MATLAB]] posterior.Ampliando observamos con detalle la ortogonalidad.
[[Archivo:Ortogonales lineas de corrientes potencial.jpg|500px|thumb|right|Equipotenciales y líneas de corriente. Zoom]]
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Potencial escalar. Lineas de corriente (chi).
chi=(2*U-8./U).*sin(V);
%Cuervas equipotenciales(po)
po=(2*U+8./U).*cos(V);

%Dibujo lineas de corriente
contour(X,Y,chi,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo equipotenciales
contour(X,Y,po,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}

==Velocidad máxima y mínima del fluido==
Los máximos y los mínimos, en el contorno del obstaculo, se calcularán maximizando o minimizando el campo vectorial
*'''Puntos de remanso'''
Son aquellos puntos donde la velocidad del fluido es nula

==Presión del fluido. Ecuación de Bernouilli==
===Ecuación de Bernouilli===
Como sabemos, un fluido se caracteriza por por no describir siempre una forma concreta, sino que su forma o dinámica depende principalmente de agentes externos (en el caso de la forma, depende de un recipiente). Aquí vamos a estudiar el comportamiento dinámico de un fluido, dependiendo de la presión a la que esté sometido y la densidad del mismo, ya que su movimiento no depende del tiempo, por lo que es estacionario. Así pues, se dedujo y describe la ecuación de Bernouilli:
[[Archivo:Ecuacion bernouilli.jpg|sinmarco|centro]]
Con nuestro campo vectorial u y teniendo como datos d=2 y cte=15, podremos obtener la presión del fluido:
[[Archivo:Formula1 bernouilli.jpg ‎|sinmarco|izquierda]]

[[Archivo:Formula2 bernouilli.jpg|600px|sinmarco|izquierda]]

De esta manera, operamos y nos queda la presión:

[[Archivo:Formula3 bernouilli.jpg|600px|sinmarco|centro]]

Una vez hallada, procedemos a representarla gráficamente. Para ello, empleamos el siguiente comando en Matlab, dando:
{{matlab|codigo=
% vemos variables
h=0.1;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h

%hacemos retícula
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%describo coordenadas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%aplicamos funcion presion
f=15-((4*cos(V).^2)).*((1-(4./(U.^2))))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));

%dibujo
surf(X,Y,f)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}
[[Archivo:Campo presiones.png|600x400px|marco|centro|Campo de presiones]]

Con esto, nos damos cuenta de que las mayores presiones se concentran en los extremos superior e inferior del obstáculo, ya que es el momento posterior al choque del fluido contra él, y el desplazamiento a los lados. En cambio, las menores presiones se distinguen a los laterales izquierdo y derecho, siendo la dirección a la que se desplaza el fluido y donde no tiene contacto con el obstáculo, debiéndose así que sus presiones sean mucho menores.

===Campo de presiones y lineas de corriente===
La conclusión sacada anteriormente se puede corroborar observando las líneas de corriente del fluido, ya que a su vez representan la velocidad del mismo y los cambios que se producen cuando impacta con el obstáculo.
[[Archivo:Líneas de corriente.jpg|400x200px|marco|izquierda|Lineas de corriente]]
[[Archivo:Campo presiones.png|400x200px|marco|centro|Campo de presiones]]

Al comparar las dos gráficas, podemos ver que, efectivamente, en los extremos superior e inferior del obstáculo hay una mayor concentración de corrientes, y sus velocidades son mucho mayores, generando presiones significativamente altas. En cambio, en los lados izquierdo y derecho todo está `más tranquilo´ porque no hay nada que se interponga a la corriente normal del fluido. Por tanto, si fuéramos una partícula del fluido, inicialmente podríamos comenzar moviéndonos en cotas inferiores, frías, pero al llegar al obstáculo, se crea una barrera que nos desplazaría a los extremos, donde se acumularían muchas más partículas, generando más presión y haciendo que el rozamiento rápido entre éstas llevara a un mayor calor, impulsándonos a cotas más superiores en ese tramo. Posteriormente, una vez pasado el obstáculo, iríamos volviendo a nuestro estado inicial.

==Ecuación de Navier-Stokes==
Las ecuaciones de Navier-Stokes tratan de describir el movimiento de un fluido en la atmósfera, las corrientes oceánicas, y sobre cualquier objeto, como proyectiles. Está publicado como uno de los Siete Grandes Problemas del Milenio, ya que se busca su generalización para cualquier cosa donde estén involucrados los fluidos newtonianos. Actualmente se ha demostrado pero para casos muy particulares. De manera simplificada, la ecuación satisface, con los parámetros de campo u y presión ,que:
[[Archivo:Ecuacion stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Nosotros vamos a comprobar que se va a cumplir en el caso de que la viscosidad del fluido sea nula, y donde además se verifica que es incompresible, debido a que siempre ocupará el mismo volumen. Así pues, quedaría demostrado que el gradiente por el campo u es nulo.
Con todo, la ecuación de Navier-Stokes resultante es la siguiente:
[[Archivo:Ecuacion1 stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Sabiendo que d es la densidad del fluido, y por tanto una constante, y que: [[Archivo:Ecuacion222 stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Desarrollamos más profundamente los cálculos:
[[Archivo:Ecuacion33 stokes.jpg|600px|sinmarco|izquierda]]

Como podemos observar, nos queda una ecuación determinada por coordenadas cartesianas.
Estudiándola detenidamente, y relacionando las leyes físicas que conllevaron a su elaboración, nos damos cuenta de que se asemeja a la ecuación de Bernouilli, ya que en las dos se menosprecia la viscosidad y tratan con los campos vectoriales del fluido y sus presiones. Así pues, al relacionarlas con las mismas condiciones matemáticas, podríamos establecer la igualdad de las mismas. Para ello, le aplicamos el gradiente a la ecuación de Bernouilli:
[[Archivo:Ecuacion444 stokes.jpg|1200px|sinmarco|izquierda]]
[[Archivo:Ecuacion33 stokes.jpg|500px|sinmarco|izquierda]]

El resultado final equivale al de la ecuación de Navier-Stokes, por lo que si se cumple una, la otra también, y como la de Bernouilli vimos que sí, poodemos afirmar que Navier-Stokes se cumple cuando la viscosidad se considera nula.

==Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoja de D'Alembert==
En primer lugar haremos una breve explicación de la '''Paradoja de D'Alembert'''. Dicha paradoja, es una contradicción a la que llegó D'Alembert después de estudiar matemáticamente el fenómeno de la resistencia producida sobre un cuerpo cuando una corriente de fluido circula sobre él.

D'Alembert aplicó la teoría de flujo potencial para modelar el fenómeno, y concluyó que la fuerza resultante sobre el cuerpo sobre el cual fluye el aire es cero, lo cual se contradice con la observación.

Por otra parte según el '''Teorema de Kutta-Joukowski''' la fuerza que ejerce el fluido sobre el obstáculo es proporcional a la circulación.

A continuación comprobaremos la circulación a lo largo de la circunferencia de radio 2. En primer lugar parametrizamos dicho obstaculo:
[[Archivo:GammaA7.png|300px|sinmarco|left]]

Calculamos la circulacion en el intervalo '''(a,b)=(0,2π)'''
[[Archivo:circulacion1A7.png|300px|sinmarco|left]]

Sustituyendo nuestros datos dentro de la integral obtenemos:
[[Archivo:circulacion4A7.png|600px|sinmarco|left]]

Finalmente desarrolando dicha integral:
[[Archivo:circulacion3A7.png|600px|sinmarco|left]]

Obtenemos el resultado de que '''la circulación es nula'''. Esto va en contra de la intuición ya que se supone que el fluido deberia ejercer una fuerza sobre el obstáculo, pero aplicando el Teorema de Kutta-Joukowski, que como hemos dicho antes dice que la fuerza es proporcional a la circulación, llegamos a la conclusión de que la fuerza deberia ser nula también. Encontrandonos con la conocida como Paradoja de D'Alembert.

==Curvas de nivel de la presión==
A continuación observamos el código [[MATLAB]] utilizado para obtener el gráfico de las curvas de presión del fluido.

{{matlab|codigo=
%Reticula
ro=2:0.1:6;
teta=0:0.1:2*pi;
[U,V]=meshgrid(ro,teta);
%Cambio de coordenadas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Formula de la presión
p=15-((4*((cos(V)).^2)).*((1-(4./(U.^2))).^2))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));
%Dibujo de las curvas de nivel
contour(X,Y,p,50,'linewidth',1.5)
axis([-5,5-5,5])
axis equal

}}
Como anteriormente hemos observado los maximos valores para la presión los encontramos en la zona superior e inferior del óbstaculo correspondiendose con las zonas de mayor velocidad. Mientras que el los laterales las líneas son de un color azul que equivale a valores más bajos de la presión, justo donde las corrientes se alejan del óbstaculo.
[[Archivo:CurvasA7.png|1000px|thumb|left|Curvas de nivel de la presión del fluido]]

==Presión media del fluido==
Vamos a calcular la presión media del fluido. Para ello se hará un aaproximacion de la integral de la presion y lo dividiremos entre el área de la región que ocupa el fluido. En este caso es el área de una corona circularde radios 2 y 6.
[[Archivo:AreaA7.png|300px|sinmarco|left]]

Realizamos la aproximacion de la presión:
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.01;
ro=2:h:6;
teta=0:h:2*pi;
[U,V]=meshgrid(ro,teta);
%Presión del fluido
p=15-((4*((cos(V)).^2)).*((1-(4./(U.^2))).^2))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));
%Integral de la presión
pres=U.*p;
%Integral
volumen=h^2*pres;
w=sum(sum(volumen));
%Área de la corona circular
area=(pi*6^2)-(pi*2^2);
%Presión media
presmedia=w/area
}}
Realizando estos calculos obtenemos un resultado de '''13.6441''' que si contrastamos con una de las gráficas de la presión podemso ver que concuerda, ya que en la gráfica a simple vista podemos observar como los valores medios rondan este valor.
[[Archivo:PresionA7.png|1000px|sinmarco|left]]

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-04T08:26:47Z

AntonioMaya:

En el siguiente articulo vamos a estudiar el flujo de un fluido incompresible alrededor de un obstáculo circular. Trabajaremos con coordenadas cilindricas (polares ya que se reduce al plano) ya que debido a la forma del obstáculo los cálculos resultarán más sencillos. Las gráficas que se mostraran aqui han sido obtenidas con el programa [[MATLAB]].<br />
{{ TrabajoED | Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos. Grupo 7-A | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC15/16|2015-16]] | Enrique Pellico Martín, Eduardo Moreda Meleiro, Rommel Beltran Carrero, Antonio Maya Hidalgo }}
[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC15/16]]

==Introducción==
En primer lugar debemos hacer referencia al concepto de fluido incompresible. Un fluido incompresible es aquel fluido cuya densidad permanece constante con el tiempo y se opone a la compresión bajo cualquier condición. Esto quiere decir que tanto su masa como su volumen permanecerán constantes. Su significado matemático es que dicho fluido tendrá una densidad constante, facilitando los cálculos necesarios.

==Región ocupada por el fluido==
El primer paso para la la visualización de campos escalares y vectoriales de un fluido es delimitar la región de estudio. La región de estudio es una corona circular de radio menor 2 y radio mayor 6.

La representamos mediante un mallado que represente los puntos interiores de la corona circular en el intervalo [−5, 5] × [−5, 5]
[[Archivo:Apartado1 grupoA7 2015-2016.jpg|400px|miniaturadeimagen|right|Región que ocupa el fluido]]
{{matlab|codigo=
%rho=u; phi=v;
%Creamos el mallado.
rho=linspace(2,6,50);
th=linspace(0,2*pi,50);
%generamos la reticula
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%definimos la parametrización
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Dibujamos la malla y definimos los ejes
mesh(X,Y,0*X)
axis([-5,5,-5,5]);
axis equal
}}

==Función potencial y campo de velocidades==
La velocidad de un fluido viene dada por el campo de velocidades de este aplicado en cada punto.

El campo de velocidades deriva de un potencial escalar. Vamos a representar primero el campo escalar y después el campo de velocidades
===Función Potencial===
El campo escalar del que deriva es el siguiente:
[[Archivo:Formula1A7.png|200px|sinmarco|centro]]

Se aprecia como la función potencial crece de izquierda a derecha según la dirección de movimiento del fluido

[[Archivo:Apartado2.1 grupoA7 2015-2016.jpg|600px|miniaturadeimagen|derecha|Representación función potencial]]
{{matlab|codigo=
%Dibujamos la malla
rho=linspace(2,6,40);
th=linspace(0,2*pi,40);
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%dibujamos la función potencial
%primero la superficie
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Despues definimos la función
phi=inline('2*(rho+(4./rho)).*cos(th)','rho','th');
%aplicamos la función
Z=phi(U,V);
%Dibujamos
p=surf(X,Y,Z);
axis equal
view(2)
hold on
%por último dibujamos el obstáculo
plot(2*cos(th),2*sin(th),'k','linewidth',2)
}}
===Campo de velocidades===
El campo de velocidades viene dado por el gradiente de la función potencial <math>\varphi</math>
[[Archivo:Formula2A7.png|300px|sinmarco|centro]]

[[Archivo:Formula3A7.png|400px|sinmarco|centro]]

Su representación viene dada por:
[[Archivo:Apartado2.2 grupoA7 2015-2016.jpg|800px|miniaturadeimagen|derecha|Campo de velocidades <math>\vec{u}</math>]]
{{matlab|codigo=
%Dibujamos la malla
rho=linspace(2,6,30);
th=linspace(0,2*pi,30);
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%dibujamos la función potencial
%primero la superficie
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Despues definimos la función
phi=inline('2*(rho+(4./rho)).*cos(th)','rho','th');
%aplicamos la función
Z=phi(U,V);
%Dibujamos las curvas de nivel
contour(X,Y,Z,40)
%axis([-5,5,-5,5]);
axis equal
view(2)
hold on
%Dibujamos el campo de velocidades del fluido:
%aplicamos las funciones
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
%dibujamos el campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy);
axis equal
view(2)
%por último dibujamos el obstáculo
plot(2*cos(th),2*sin(th),'k','linewidth',2)
hold off
}}
Se ve perfectamente como el fluido evita el obstáculo rodeándolo. Disminuye de velocidad al chocar contra el obstáculo y aumenta al evitarlo.

También vamos a realizar un Zoom sobre la imagen para apreciar en detalle como el campo de velocidades <math>\vec{u}</math> es ortogonal a las curvas de nivel de la función potencial <math>\varphi</math> del que proviene.

Las curvas de nivel de la función potencial representan los puntos del plano en el que esta tiene el mismo valor. Según se ve en el apartado anterior, en la representación gráfica se observa que la función crece de izquierda a derecha evitando el obstáculo.
El campo de velocidades viene dado por el gradiente de esa función. El gradiente representa el valor y la dirección de máximo crecimiento de de la función escalar. Como en las curvas de nivel la función es constante, es decir, en las curvas la variación es 0, la dirección de máximo crecimiento es ortogonal a las curvas de nivel y viene dada por el gradiente, es decir por el campo de velocidades del fluido.

[[Archivo:Apartado2.3 grupoA7 2015-2016.jpg|600px|miniaturadeimagen|centro|Zoom]]
====Campo de velocidades respecto al obstáculo====
====Campo de velocidades lejos del obstáculo====

==Divergencia y rotacional==
Con el estudio de la divergencia y de rotacional se demostrara la incompresibilidad del fluido. Para ello la divergencia tendrá ser nula demostrando así la imposibilidad de variación de volumen, como se interpreta de este operador. Lo comprobamos analíticamente en este apartado.
Al estar en coordenadas cilíndricas el rotacional es:
[[Archivo:Rotacional.PNG|300px|sinmarco|centro]]
Resolviendo:
[[Archivo:Resolucion rotacional.PNG|600px|sinmarco|centro]]
Si hacemos lo mismo con la divergencia observamos que igualmente se anula.

Con la divergencia se demuestra la incompresibilidad del fluido en este caso

=='''Líneas de corriente''' del campo==

Las líneas de corriente son líneas que representadas en el plano definen la trayectoria del campo, en nuestro caso, de las partículas de agua.

Son, a su vez, el potencial de un campo vectorial ortogonal al campo de velocidades. Luego para definir las líneas de corriente se calculará el campo ortogonal y su potencial.

===Campo ortogonal al campo de velocidades===
Este campo obtiene multiplicando escalarmente el vector de posicion k con el campo u. Para facilitar el proceso utilizamos el vector de posición de la coordenada curvilinea gz

====Comprobación gráfia====
*Campo v en coordenadas cartesialas
*Código [[MATLAB]]
[[Archivo:Vyu.png|400px|miniaturadeimagen|right|Campos u y v]]
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Componentes del campo de velocidades en cartesianas
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));

%Componentes del campo v en cartesianas
vx=(2+8./(U.*U)).*sin(V).*cos(V)-(2./U-8./(U.*U.*U)).*cos(V).*sin(V).*U;
vy=(2+8./(U.*U)).*sin(V).*sin(V)+(2./U-8./(U.*U.*U)).*cos(V).*cos(V).*U;

%Dibujo campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo campo v
quiver(X,Y,vx,vy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}

====Observación del rotacional ====
Al ser u de divergencia nula el rotacional de v será nulo:

===Potencial escalar de corriente===

===Representación de las líneas de corriente===
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Potencial escalar. Lineas de corriente
chi=(2*U-8./U).*sin(V);

%Componentes del campo de velocidades en cartesianas
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));

%Dibujo lineas de corriente
contour(X,Y,chi,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on
}}
[[Archivo:Líneas de corriente.jpg|600px|thumb|centro|Líneas de corriente y campo de veocidades]]
====Observaciones====
# Podemos observar que la velocidad es tangente a las líneas de corriente realizando un zoom en la representación anterior
[[Archivo:La velocidad es tangente.jpg|200px|thumb|centro|Velocidad y líneas de corriente. Zoom]]
# Observamos la ortogonalidad de las líneas de corriente con el campo equipotencial ejecutando el código [[MATLAB]] posterior.Ampliando observamos con detalle la ortogonalidad.
[[Archivo:Ortogonales lineas de corrientes potencial.jpg|500px|thumb|right|Equipotenciales y líneas de corriente. Zoom]]
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Potencial escalar. Lineas de corriente (chi).
chi=(2*U-8./U).*sin(V);
%Cuervas equipotenciales(po)
po=(2*U+8./U).*cos(V);

%Dibujo lineas de corriente
contour(X,Y,chi,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo equipotenciales
contour(X,Y,po,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}

==Velocidad máxima y mínima del fluido==
Los máximos y los mínimos, en el contorno del obstaculo, se calcularán maximizando o minimizando el campo vectorial
*'''Puntos de remanso'''
Son aquellos puntos donde la velocidad del fluido es nula

==Presión del fluido. Ecuación de Bernouilli==
===Ecuación de Bernouilli===
Como sabemos, un fluido se caracteriza por por no describir siempre una forma concreta, sino que su forma o dinámica depende principalmente de agentes externos (en el caso de la forma, depende de un recipiente). Aquí vamos a estudiar el comportamiento dinámico de un fluido, dependiendo de la presión a la que esté sometido y la densidad del mismo, ya que su movimiento no depende del tiempo, por lo que es estacionario. Así pues, se dedujo y describe la ecuación de Bernouilli:
[[Archivo:Ecuacion bernouilli.jpg|sinmarco|centro]]
Con nuestro campo vectorial u y teniendo como datos d=2 y cte=15, podremos obtener la presión del fluido:
[[Archivo:Formula1 bernouilli.jpg ‎|sinmarco|izquierda]]

[[Archivo:Formula2 bernouilli.jpg|600px|sinmarco|izquierda]]

De esta manera, operamos y nos queda la presión:

[[Archivo:Formula3 bernouilli.jpg|600px|sinmarco|centro]]

Una vez hallada, procedemos a representarla gráficamente. Para ello, empleamos el siguiente comando en Matlab, dando:
{{matlab|codigo=
% vemos variables
h=0.1;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h

%hacemos retícula
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%describo coordenadas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%aplicamos funcion presion
f=15-((4*cos(V).^2)).*((1-(4./(U.^2))))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));

%dibujo
surf(X,Y,f)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}
[[Archivo:Campo presiones.png|600x400px|marco|centro|Campo de presiones]]

Con esto, nos damos cuenta de que las mayores presiones se concentran en los extremos superior e inferior del obstáculo, ya que es el momento posterior al choque del fluido contra él, y el desplazamiento a los lados. En cambio, las menores presiones se distinguen a los laterales izquierdo y derecho, siendo la dirección a la que se desplaza el fluido y donde no tiene contacto con el obstáculo, debiéndose así que sus presiones sean mucho menores.

===Campo de presiones y lineas de corriente===
La conclusión sacada anteriormente se puede corroborar observando las líneas de corriente del fluido, ya que a su vez representan la velocidad del mismo y los cambios que se producen cuando impacta con el obstáculo.
[[Archivo:Líneas de corriente.jpg|400x200px|marco|izquierda|Lineas de corriente]]
[[Archivo:Campo presiones.png|400x200px|marco|centro|Campo de presiones]]

Al comparar las dos gráficas, podemos ver que, efectivamente, en los extremos superior e inferior del obstáculo hay una mayor concentración de corrientes, y sus velocidades son mucho mayores, generando presiones significativamente altas. En cambio, en los lados izquierdo y derecho todo está `más tranquilo´ porque no hay nada que se interponga a la corriente normal del fluido. Por tanto, si fuéramos una partícula del fluido, inicialmente podríamos comenzar moviéndonos en cotas inferiores, frías, pero al llegar al obstáculo, se crea una barrera que nos desplazaría a los extremos, donde se acumularían muchas más partículas, generando más presión y haciendo que el rozamiento rápido entre éstas llevara a un mayor calor, impulsándonos a cotas más superiores en ese tramo. Posteriormente, una vez pasado el obstáculo, iríamos volviendo a nuestro estado inicial.

==Ecuación de Navier-Stokes==
Las ecuaciones de Navier-Stokes tratan de describir el movimiento de un fluido en la atmósfera, las corrientes oceánicas, y sobre cualquier objeto, como proyectiles. Está publicado como uno de los Siete Grandes Problemas del Milenio, ya que se busca su generalización para cualquier cosa donde estén involucrados los fluidos newtonianos. Actualmente se ha demostrado pero para casos muy particulares. De manera simplificada, la ecuación satisface, con los parámetros de campo u y presión ,que:
[[Archivo:Ecuacion stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Nosotros vamos a comprobar que se va a cumplir en el caso de que la viscosidad del fluido sea nula, y donde además se verifica que es incompresible, debido a que siempre ocupará el mismo volumen. Así pues, quedaría demostrado que el gradiente por el campo u es nulo.
Con todo, la ecuación de Navier-Stokes resultante es la siguiente:
[[Archivo:Ecuacion1 stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Sabiendo que d es la densidad del fluido, y por tanto una constante, y que: [[Archivo:Ecuacion222 stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Desarrollamos más profundamente los cálculos:
[[Archivo:Ecuacion33 stokes.jpg|600px|sinmarco|izquierda]]

Como podemos observar, nos queda una ecuación determinada por coordenadas cartesianas.
Estudiándola detenidamente, y relacionando las leyes físicas que conllevaron a su elaboración, nos damos cuenta de que se asemeja a la ecuación de Bernouilli, ya que en las dos se menosprecia la viscosidad y tratan con los campos vectoriales del fluido y sus presiones. Así pues, al relacionarlas con las mismas condiciones matemáticas, podríamos establecer la igualdad de las mismas. Para ello, le aplicamos el gradiente a la ecuación de Bernouilli:
[[Archivo:Ecuacion444 stokes.jpg|1200px|sinmarco|izquierda]]
[[Archivo:Ecuacion33 stokes.jpg|500px|sinmarco|izquierda]]

El resultado final equivale al de la ecuación de Navier-Stokes, por lo que si se cumple una, la otra también, y como la de Bernouilli vimos que sí, poodemos afirmar que Navier-Stokes se cumple cuando la viscosidad se considera nula.

==Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoja de D'Alembert==
En primer lugar haremos una breve explicación de la Paradoja de D'Alembert. Dicha paradoja, es una contradicción a la que llegó D'Alembert después de estudiar matemáticamente el fenómeno de la resistencia producida sobre un cuerpo cuando una corriente de fluido circula sobre él.

D'Alembert aplicó la teoría de flujo potencial para modelar el fenómeno, y concluyó que la fuerza resultante sobre el cuerpo sobre el cual fluye el aire es cero, lo cual se contradice con la observación.

Por otra parte según el Teorema de Kutta-Joukowski la fuerza que ejerce el fluido sobre el obstáculo es proporcional a la circulación.

A continuación comprobaremos la circulación a lo largo de la circunferencia de radio 2. En primer lugar parametrizamos dicho obstaculo:
[[Archivo:GammaA7.png|300px|sinmarco|left]]

Calculamos la circulacion en el intervalo '''(a,b)=(0,2π)'''
[[Archivo:circulacion1A7.png|300px|sinmarco|left]]

Sustituyendo nuestros datos dentro de la integral obtenemos:
[[Archivo:circulacion4A7.png|600px|sinmarco|left]]

Finalmente desarrolando dicha integral:
[[Archivo:circulacion3A7.png|600px|sinmarco|left]]

Obtenemos el resultado de que '''la circulación es nula'''. Esto va en contra de la intuición ya que se supone que el fluido deberia ejercer una fuerza sobre el obstáculo, pero aplicando el Teorema de Kutta-Joukowski, que como hemos dicho antes dice que la fuerza es proporcional a la circulación, llegamos a la conclusión de que la fuerza deberia ser nula también. Encontrandonos con la conocida como Paradoja de D'Alembert.

==Curvas de nivel de la presión==
A continuación observamos el código [[MATLAB]] utilizado para obtener el gráfico de las curvas de presión del fluido.

{{matlab|codigo=
%Reticula
ro=2:0.1:6;
teta=0:0.1:2*pi;
[U,V]=meshgrid(ro,teta);
%Cambio de coordenadas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Formula de la presión
p=15-((4*((cos(V)).^2)).*((1-(4./(U.^2))).^2))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));
%Dibujo de las curvas de nivel
contour(X,Y,p,50,'linewidth',1.5)
axis([-5,5-5,5])
axis equal

}}
Como anteriormente hemos observado los maximos valores para la presión los encontramos en la zona superior e inferior del óbstaculo correspondiendose con las zonas de mayor velocidad. Mientras que el los laterales las líneas son de un color azul que equivale a valores más bajos de la presión, justo donde las corrientes se alejan del óbstaculo.
[[Archivo:CurvasA7.png|1000px|thumb|left|Curvas de nivel de la presión del fluido]]

==Presión media del fluido==
Vamos a calcular la presión media del fluido. Para ello se hará un aaproximacion de la integral de la presion y lo dividiremos entre el área de la región que ocupa el fluido. En este caso es el área de una corona circularde radios 2 y 6.
[[Archivo:AreaA7.png|300px|sinmarco|left]]

Realizamos la aproximacion de la presión:
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.01;
ro=2:h:6;
teta=0:h:2*pi;
[U,V]=meshgrid(ro,teta);
%Presión del fluido
p=15-((4*((cos(V)).^2)).*((1-(4./(U.^2))).^2))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));
%Integral de la presión
pres=U.*p;
%Integral
volumen=h^2*pres;
w=sum(sum(volumen));
%Área de la corona circular
area=(pi*6^2)-(pi*2^2);
%Presión media
presmedia=w/area
}}
Realizando estos calculos obtenemos un resultado de '''13.6441''' que si contrastamos con una de las gráficas de la presión podemso ver que concuerda, ya que en la gráfica a simple vista podemos observar como los valores medios rondan este valor.
[[Archivo:PresionA7.png|1000px|sinmarco|left]]

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-04T08:24:47Z

AntonioMaya: /* Curvas de nivel de la presión */

En el siguiente articulo vamos a estudiar el flujo de un fluido incompresible alrededor de un obstáculo circular. Trabajaremos con coordenadas cilindricas (polares ya que se reduce al plano) ya que debido a la forma del obstáculo los cálculos resultarán más sencillos. Las gráficas que se mostraran aqui han sido obtenidas con el programa [[MATLAB]].<br />
{{ TrabajoED | Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos. Grupo 7-A | [[:Categoría:Teoría de Campos|Teoría de Campos]]|[[:Categoría:TC15/16|2015-16]] | Enrique Pellico Martín, Eduardo Moreda Meleiro, Rommel Beltran Carrero, Antonio Maya Hidalgo }}
[[Categoría:Teoría de Campos]]
[[Categoría:TC15/16]]

==Introducción==
En primer lugar debemos hacer referencia al concepto de fluido incompresible. Un fluido incompresible es aquel fluido cuya densidad permanece constante con el tiempo y se opone a la compresión bajo cualquier condición. Esto quiere decir que tanto su masa como su volumen permanecerán constantes. Su significado matemático es que dicho fluido tendrá una densidad constante, facilitando los cálculos necesarios.

==Región ocupada por el fluido==
El primer paso para la la visualización de campos escalares y vectoriales de un fluido es delimitar la región de estudio. La región de estudio es una corona circular de radio menor 2 y radio mayor 6.

La representamos mediante un mallado que represente los puntos interiores de la corona circular en el intervalo [−5, 5] × [−5, 5]
[[Archivo:Apartado1 grupoA7 2015-2016.jpg|400px|miniaturadeimagen|right|Región que ocupa el fluido]]
{{matlab|codigo=
%rho=u; phi=v;
%Creamos el mallado.
rho=linspace(2,6,50);
th=linspace(0,2*pi,50);
%generamos la reticula
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%definimos la parametrización
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Dibujamos la malla y definimos los ejes
mesh(X,Y,0*X)
axis([-5,5,-5,5]);
axis equal
}}

==Función potencial y campo de velocidades==
La velocidad de un fluido viene dada por el campo de velocidades de este aplicado en cada punto.

El campo de velocidades deriva de un potencial escalar. Vamos a representar primero el campo escalar y después el campo de velocidades
===Función Potencial===
El campo escalar del que deriva es el siguiente:
[[Archivo:Formula1A7.png|200px|sinmarco|centro]]

Se aprecia como la función potencial crece de izquierda a derecha según la dirección de movimiento del fluido

[[Archivo:Apartado2.1 grupoA7 2015-2016.jpg|600px|miniaturadeimagen|derecha|Representación función potencial]]
{{matlab|codigo=
%Dibujamos la malla
rho=linspace(2,6,40);
th=linspace(0,2*pi,40);
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%dibujamos la función potencial
%primero la superficie
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Despues definimos la función
phi=inline('2*(rho+(4./rho)).*cos(th)','rho','th');
%aplicamos la función
Z=phi(U,V);
%Dibujamos
p=surf(X,Y,Z);
axis equal
view(2)
hold on
%por último dibujamos el obstáculo
plot(2*cos(th),2*sin(th),'k','linewidth',2)
}}
===Campo de velocidades===
El campo de velocidades viene dado por el gradiente de la función potencial <math>\varphi</math>
[[Archivo:Formula2A7.png|300px|sinmarco|centro]]

[[Archivo:Formula3A7.png|400px|sinmarco|centro]]

Su representación viene dada por:
[[Archivo:Apartado2.2 grupoA7 2015-2016.jpg|800px|miniaturadeimagen|derecha|Campo de velocidades <math>\vec{u}</math>]]
{{matlab|codigo=
%Dibujamos la malla
rho=linspace(2,6,30);
th=linspace(0,2*pi,30);
[U,V]=meshgrid(rho,th);
%dibujamos la función potencial
%primero la superficie
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Despues definimos la función
phi=inline('2*(rho+(4./rho)).*cos(th)','rho','th');
%aplicamos la función
Z=phi(U,V);
%Dibujamos las curvas de nivel
contour(X,Y,Z,40)
%axis([-5,5,-5,5]);
axis equal
view(2)
hold on
%Dibujamos el campo de velocidades del fluido:
%aplicamos las funciones
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
%dibujamos el campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy);
axis equal
view(2)
%por último dibujamos el obstáculo
plot(2*cos(th),2*sin(th),'k','linewidth',2)
hold off
}}
Se ve perfectamente como el fluido evita el obstáculo rodeándolo. Disminuye de velocidad al chocar contra el obstáculo y aumenta al evitarlo.

También vamos a realizar un Zoom sobre la imagen para apreciar en detalle como el campo de velocidades <math>\vec{u}</math> es ortogonal a las curvas de nivel de la función potencial <math>\varphi</math> del que proviene.

Las curvas de nivel de la función potencial representan los puntos del plano en el que esta tiene el mismo valor. Según se ve en el apartado anterior, en la representación gráfica se observa que la función crece de izquierda a derecha evitando el obstáculo.
El campo de velocidades viene dado por el gradiente de esa función. El gradiente representa el valor y la dirección de máximo crecimiento de de la función escalar. Como en las curvas de nivel la función es constante, es decir, en las curvas la variación es 0, la dirección de máximo crecimiento es ortogonal a las curvas de nivel y viene dada por el gradiente, es decir por el campo de velocidades del fluido.

[[Archivo:Apartado2.3 grupoA7 2015-2016.jpg|600px|miniaturadeimagen|centro|Zoom]]
====Campo de velocidades respecto al obstáculo====
====Campo de velocidades lejos del obstáculo====

==Divergencia y rotacional==
Con el estudio de la divergencia y de rotacional se demostrara la incompresibilidad del fluido. Para ello la divergencia tendrá ser nula demostrando así la imposibilidad de variación de volumen, como se interpreta de este operador. Lo comprobamos analíticamente en este apartado.
Al estar en coordenadas cilíndricas el rotacional es:
[[Archivo:Rotacional.PNG|300px|sinmarco|centro]]
Resolviendo:
[[Archivo:Resolucion rotacional.PNG|600px|sinmarco|centro]]
Si hacemos lo mismo con la divergencia observamos que igualmente se anula.

Con la divergencia se demuestra la incompresibilidad del fluido en este caso

=='''Líneas de corriente''' del campo==

Las líneas de corriente son líneas que representadas en el plano definen la trayectoria del campo, en nuestro caso, de las partículas de agua.

Son, a su vez, el potencial de un campo vectorial ortogonal al campo de velocidades. Luego para definir las líneas de corriente se calculará el campo ortogonal y su potencial.

===Campo ortogonal al campo de velocidades===
Este campo obtiene multiplicando escalarmente el vector de posicion k con el campo u. Para facilitar el proceso utilizamos el vector de posición de la coordenada curvilinea gz

====Comprobación gráfia====
*Campo v en coordenadas cartesialas
*Código [[MATLAB]]
[[Archivo:Vyu.png|400px|miniaturadeimagen|right|Campos u y v]]
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Componentes del campo de velocidades en cartesianas
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));

%Componentes del campo v en cartesianas
vx=(2+8./(U.*U)).*sin(V).*cos(V)-(2./U-8./(U.*U.*U)).*cos(V).*sin(V).*U;
vy=(2+8./(U.*U)).*sin(V).*sin(V)+(2./U-8./(U.*U.*U)).*cos(V).*cos(V).*U;

%Dibujo campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo campo v
quiver(X,Y,vx,vy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}

====Observación del rotacional ====
Al ser u de divergencia nula el rotacional de v será nulo:

===Potencial escalar de corriente===

===Representación de las líneas de corriente===
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Potencial escalar. Lineas de corriente
chi=(2*U-8./U).*sin(V);

%Componentes del campo de velocidades en cartesianas
ux=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*cos(V)+U.*sin(V).*sin(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));
uy=(2-8./(U.*U)).*cos(V).*sin(V)-U.*sin(V).*cos(V).*(2./U+8./(U.*U.*U));

%Dibujo lineas de corriente
contour(X,Y,chi,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo campo de velocidades
quiver(X,Y,ux,uy)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on
}}
[[Archivo:Líneas de corriente.jpg|600px|thumb|centro|Líneas de corriente y campo de veocidades]]
====Observaciones====
# Podemos observar que la velocidad es tangente a las líneas de corriente realizando un zoom en la representación anterior
[[Archivo:La velocidad es tangente.jpg|200px|thumb|centro|Velocidad y líneas de corriente. Zoom]]
# Observamos la ortogonalidad de las líneas de corriente con el campo equipotencial ejecutando el código [[MATLAB]] posterior.Ampliando observamos con detalle la ortogonalidad.
[[Archivo:Ortogonales lineas de corrientes potencial.jpg|500px|thumb|right|Equipotenciales y líneas de corriente. Zoom]]
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.3;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h;
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%Cambio de coordenadas a cartesianas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%Potencial escalar. Lineas de corriente (chi).
chi=(2*U-8./U).*sin(V);
%Cuervas equipotenciales(po)
po=(2*U+8./U).*cos(V);

%Dibujo lineas de corriente
contour(X,Y,chi,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
hold on

%Dibujo equipotenciales
contour(X,Y,po,50,'LineWidth',1.5)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}

==Velocidad máxima y mínima del fluido==
Los máximos y los mínimos, en el contorno del obstaculo, se calcularán maximizando o minimizando el campo vectorial
*'''Puntos de remanso'''
Son aquellos puntos donde la velocidad del fluido es nula

==Presión del fluido. Ecuación de Bernouilli==
===Ecuación de Bernouilli===
Como sabemos, un fluido se caracteriza por por no describir siempre una forma concreta, sino que su forma o dinámica depende principalmente de agentes externos (en el caso de la forma, depende de un recipiente). Aquí vamos a estudiar el comportamiento dinámico de un fluido, dependiendo de la presión a la que esté sometido y la densidad del mismo, ya que su movimiento no depende del tiempo, por lo que es estacionario. Así pues, se dedujo y describe la ecuación de Bernouilli:
[[Archivo:Ecuacion bernouilli.jpg|sinmarco|centro]]
Con nuestro campo vectorial u y teniendo como datos d=2 y cte=15, podremos obtener la presión del fluido:
[[Archivo:Formula1 bernouilli.jpg ‎|sinmarco|izquierda]]

[[Archivo:Formula2 bernouilli.jpg|600px|sinmarco|izquierda]]

De esta manera, operamos y nos queda la presión:

[[Archivo:Formula3 bernouilli.jpg|600px|sinmarco|centro]]

Una vez hallada, procedemos a representarla gráficamente. Para ello, empleamos el siguiente comando en Matlab, dando:
{{matlab|codigo=
% vemos variables
h=0.1;
rho=2:h:6;
th=0:h:2*pi+h

%hacemos retícula
[U,V]=meshgrid(rho,th);

%describo coordenadas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);

%aplicamos funcion presion
f=15-((4*cos(V).^2)).*((1-(4./(U.^2))))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));

%dibujo
surf(X,Y,f)
axis([-5,5,-5,5])
axis equal
view(2)
}}
[[Archivo:Campo presiones.png|600x400px|marco|centro|Campo de presiones]]

Con esto, nos damos cuenta de que las mayores presiones se concentran en los extremos superior e inferior del obstáculo, ya que es el momento posterior al choque del fluido contra él, y el desplazamiento a los lados. En cambio, las menores presiones se distinguen a los laterales izquierdo y derecho, siendo la dirección a la que se desplaza el fluido y donde no tiene contacto con el obstáculo, debiéndose así que sus presiones sean mucho menores.

===Campo de presiones y lineas de corriente===
La conclusión sacada anteriormente se puede corroborar observando las líneas de corriente del fluido, ya que a su vez representan la velocidad del mismo y los cambios que se producen cuando impacta con el obstáculo.
[[Archivo:Líneas de corriente.jpg|400x200px|marco|izquierda|Lineas de corriente]]
[[Archivo:Campo presiones.png|400x200px|marco|centro|Campo de presiones]]

Al comparar las dos gráficas, podemos ver que, efectivamente, en los extremos superior e inferior del obstáculo hay una mayor concentración de corrientes, y sus velocidades son mucho mayores, generando presiones significativamente altas. En cambio, en los lados izquierdo y derecho todo está `más tranquilo´ porque no hay nada que se interponga a la corriente normal del fluido. Por tanto, si fuéramos una partícula del fluido, inicialmente podríamos comenzar moviéndonos en cotas inferiores, frías, pero al llegar al obstáculo, se crea una barrera que nos desplazaría a los extremos, donde se acumularían muchas más partículas, generando más presión y haciendo que el rozamiento rápido entre éstas llevara a un mayor calor, impulsándonos a cotas más superiores en ese tramo. Posteriormente, una vez pasado el obstáculo, iríamos volviendo a nuestro estado inicial.

==Ecuación de Navier-Stokes==
Las ecuaciones de Navier-Stokes tratan de describir el movimiento de un fluido en la atmósfera, las corrientes oceánicas, y sobre cualquier objeto, como proyectiles. Está publicado como uno de los Siete Grandes Problemas del Milenio, ya que se busca su generalización para cualquier cosa donde estén involucrados los fluidos newtonianos. Actualmente se ha demostrado pero para casos muy particulares. De manera simplificada, la ecuación satisface, con los parámetros de campo u y presión ,que:
[[Archivo:Ecuacion stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Nosotros vamos a comprobar que se va a cumplir en el caso de que la viscosidad del fluido sea nula, y donde además se verifica que es incompresible, debido a que siempre ocupará el mismo volumen. Así pues, quedaría demostrado que el gradiente por el campo u es nulo.
Con todo, la ecuación de Navier-Stokes resultante es la siguiente:
[[Archivo:Ecuacion1 stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Sabiendo que d es la densidad del fluido, y por tanto una constante, y que: [[Archivo:Ecuacion222 stokes.jpg|sinmarco|centro]]

Desarrollamos más profundamente los cálculos:
[[Archivo:Ecuacion33 stokes.jpg|600px|sinmarco|izquierda]]

Como podemos observar, nos queda una ecuación determinada por coordenadas cartesianas.
Estudiándola detenidamente, y relacionando las leyes físicas que conllevaron a su elaboración, nos damos cuenta de que se asemeja a la ecuación de Bernouilli, ya que en las dos se menosprecia la viscosidad y tratan con los campos vectoriales del fluido y sus presiones. Así pues, al relacionarlas con las mismas condiciones matemáticas, podríamos establecer la igualdad de las mismas. Para ello, le aplicamos el gradiente a la ecuación de Bernouilli:
[[Archivo:Ecuacion444 stokes.jpg|1200px|sinmarco|izquierda]]
[[Archivo:Ecuacion33 stokes.jpg|500px|sinmarco|izquierda]]

El resultado final equivale al de la ecuación de Navier-Stokes, por lo que si se cumple una, la otra también, y como la de Bernouilli vimos que sí, poodemos afirmar que Navier-Stokes se cumple cuando la viscosidad se considera nula.

==Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoja de D'Alembert==
En primer lugar haremos una breve explicación de la Paradoja de D'Alembert. Dicha paradoja, es una contradicción a la que llegó D'Alembert después de estudiar matemáticamente el fenómeno de la resistencia producida sobre un cuerpo cuando una corriente de fluido circula sobre él.

D'Alembert aplicó la teoría de flujo potencial para modelar el fenómeno, y concluyó que la fuerza resultante sobre el cuerpo sobre el cual fluye el aire es cero, lo cual se contradice con la observación.

Por otra parte según el Teorema de Kutta-Joukowski la fuerza que ejerce el fluido sobre el obstáculo es proporcional a la circulación.

A continuación comprobaremos la circulación a lo largo de la circunferencia de radio 2. En primer lugar parametrizamos dicho obstaculo:
[[Archivo:GammaA7.png|300px|sinmarco|left]]

Calculamos la circulacion en el intervalo '''(a,b)=(0,2π)'''
[[Archivo:circulacion1A7.png|300px|sinmarco|left]]

Sustituyendo nuestros datos dentro de la integral obtenemos:
[[Archivo:circulacion4A7.png|600px|sinmarco|left]]

Finalmente desarrolando dicha integral:
[[Archivo:circulacion3A7.png|600px|sinmarco|left]]

Obtenemos el resultado de que '''la circulación es nula'''. Esto va en contra de la intuición ya que se supone que el fluido deberia ejercer una fuerza sobre el obstáculo, pero aplicando el Teorema de Kutta-Joukowski, que como hemos dicho antes dice que la fuerza es proporcional a la circulación, llegamos a la conclusión de que la fuerza deberia ser nula también. Encontrandonos con la conocida como Paradoja de D'Alembert.

==Curvas de nivel de la presión==
A continuación observamos el código [[MATLAB]] utilizado para obtener el gráfico de las curvas de presión del fluido.

{{matlab|codigo=
%Reticula
ro=2:0.1:6;
teta=0:0.1:2*pi;
[U,V]=meshgrid(ro,teta);
%Cambio de coordenadas
X=U.*cos(V);
Y=U.*sin(V);
%Formula de la presión
p=15-((4*((cos(V)).^2)).*((1-(4./(U.^2))).^2))-((4*((sin(V)).^2)).*(((1./U)+(4./(U.^3))).^2));
%Dibujo de las curvas de nivel
contour(X,Y,p,50,'linewidth',1.5)
axis([-5,5-5,5])
axis equal

}}
Como anteriormente hemos observado los maximos valores para la presión los encontramos en la zona superior e inferior del óbstaculo correspondiendose con las zonas de mayor velocidad. Mientras que el los laterales las líneas son de un color azul que equivale a valores más bajos de la presión, justo donde las corrientes se alejan del óbstaculo.
[[Archivo:CurvasA7.png|1000px|thumb|left|Curvas de nivel de la presión del fluido]]

==Presión media del fluido==
Vamos a calcular la presión media del fluido. Para ello se hará un aaproximacion de la integral de la presion y lo dividiremos entre el área de la región que ocupa el fluido. En este caso es el área de una corona circularde radios 2 y 6.
[[Archivo:AreaA7.png|300px|sinmarco|left]]

Realizamos la aproximacion de la presión:
{{matlab|codigo=
%Reticula
h=0.01;
ro=2:h:6;
teta=0:h:2*pi;
[R,T]=meshgrid(ro,teta);
%Presión del fluido
p=15-((4*((cos(T)).^2)).*((1-(4./(R.^2))).^2))-((4*((sin(T)).^2)).*(((1./R)+(4./(R.^3))).^2));
%Integral de la presión
pres=R.*p;
%Integral
volumen=h^2*pres;
w=sum(sum(volumen));
%Área de la corona circular
area=(pi*6^2)-(pi*2^2);
%Presión media
presmedia=w/area
}}
Realizando estos calculos obtenemos un resultado de '''13.6441''' que si contrastamos con una de las gráficas de la presión podemso ver que concuerda, ya que en la gráfica a simple vista podemos observar como los valores medios rondan este valor.
[[Archivo:PresionA7.png|1000px|sinmarco|left]]

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:57:57Z

AntonioMaya: /* Presión media del fluido */

Archivo:PresionA7.png

2015-12-03T10:56:42Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:46:58Z

AntonioMaya: /* Presión media del fluido */

Archivo:AreaA7.png

2015-12-03T10:45:38Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:44:04Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:40:42Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:40:20Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:39:20Z

AntonioMaya: /* Curvas de nivel de la presión. Presión media del fluido */

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:37:54Z

AntonioMaya: /* Curvas de nivel de la presión. Presión media del fluido */

Archivo:CurvasA7.png

2015-12-03T10:33:36Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:20:10Z

AntonioMaya: /* Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoja de D'Alembert */

Archivo:Circulacion4A7.png

2015-12-03T10:18:43Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-03T10:05:05Z

AntonioMaya:

Archivo:Circulacion3A7.png

2015-12-03T10:03:59Z

AntonioMaya:

Archivo:Circulacion2A7.png

2015-12-03T09:57:58Z

AntonioMaya:

Archivo:Circulacion1A7.png

2015-12-03T09:51:46Z

AntonioMaya:

Archivo:GammaA7.png

2015-12-03T09:36:13Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-02T11:46:42Z

AntonioMaya: /* Teorema de Kutta-Joukowski. Paradoja de D'Alembert */

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-01T11:01:34Z

AntonioMaya:

Archivo:Formula1A7.png

2015-12-01T10:57:40Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-01T10:47:23Z

AntonioMaya:

Archivo:Mallado8.jpg

2015-12-01T10:43:29Z

AntonioMaya:

Visualización de campos escalares y vectoriales en fluidos (grupo A7)

2015-12-01T10:31:44Z

AntonioMaya: