Fase negativa o de subpresión en la onda expansiva de una explosión

[Chusg]

No sabía si poner la duda en termodinámica o en fluídos, así que la pongo aquí:

En las noticias sobre la reciente explosión en Beirut cuentan que la nube temporal que se formó en ésta y otras grandes explosiones, que precede o rodea a la nube ascendente en forma de hongo, se debe a la condensación del vapor del aire en la zona de subpresión que sigue a la onda de choque, o sea, que cuando te llega la onda expansiva primero aumenta la presión pero luego disminuye. No entiendo el por qué de esto último:

tal como yo lo entiendo, la onda expansiva se produce por un calentamiento muy brusco del aire en el punto donde se produce la explosión. Debido a la escasa conductividad del aire, este calentamiento sólo se produce en un radio pequeño muy próximo a la explosión, pero este calentamiento produce un aumento muy rápido de la presión del aire, que se expande bruscamente y "empuja" a su vez al aire que lo rodea, y este efecto mecánico es lo que llamamos onda expansiva. Entiendo por tanto la onda de "presión positiva", pero no entiendo por qué va seguida de otra zona con presión por debajo de presión atmosférica inicial normal.

[teclado]

Pues hasta ahora nunca me lo había planteado. Las ecuaciones de fluídos son algo que se me escapa, pero me imagino que a nivel microscópico tendrá que ver con que en la expansión el aire adquiere cierta inercia en la dirección en que se desplaza, por lo que la presión comienza a disminuir desde el primer momento hasta el punto de llegar a ser menor que la atmosférica. Esto "atraería" el aire de nuevo a su sitio, produciendo oscilaciones de la presión que acabarán por desvanecerse.

[Chusg]

Gracias teclado. Puede que vayan por ahí los tiros, aunque sigo sin verlo muy claro.

Quizá para aclarnos primero deberíamos pensar en un sistema más simple: un cilindro muy largo lleno de aire, en uno de cuyos extremos hay un pistón. Si ese pistón se mueve bruscamente empujando el aire y analizamos la onda mecánica que se produce (antes de que la perturbación llegue al otro extremo): ¿también tendríamos una onda con una fase de aumento de presión seguida "subpresión"? O la "subpresión" se produce en el caso de la explosión porque el aire que se ha calentado y expandido bruscamente comienza a enfriarse y contraerse también rápidamente muy poco tiempo después?

[Livilro]

Sucede al contrario que una ola en el mar en el momento de llegar a la costa y "romper".

Vista la ola de frente, desde la costa, en el momento de romper se produce una depresion pronunciada del nivel del mar,

seguido a la depresion se da el punto mas alto de la ola, la cresta.

Y finalmente cuando pasa la ola se estabiliza oscilatoriamente en un punto que no era ni el minimo ni el maximo de la ola, el nivel normal del mar.


Lo curioso de la onda expansiva es que el analisis es inverso, ya que partimos del nivel normal, se da la cresta y seguido la depresion.

[Chusg]

Sucede al contrario que una ola en el mar en el momento de llegar a la costa y "romper".

Vista la ola de frente, desde la costa, en el momento de romper se produce una depresion pronunciada del nivel del mar,

seguido a la depresion se da el punto mas alto de la ola, la cresta.

Y finalmente cuando pasa la ola se estabiliza oscilatoriamente en un punto que no era ni el minimo ni el maximo de la ola, el nivel normal del mar.


Lo curioso de la onda expansiva es que el analisis es inverso, ya que partimos del nivel normal, se da la cresta y seguido la depresion.

Pero entonces ¿ocurriría lo mismo si la onda en vez de producirse por una explosión fuera la del émbolo que se mueve bruscamente en el extremo de un tubo largo lleno de aire?

[Richard R Richard]

Hola creo que la explicación es mas sencilla y no requiere de ninguna región de subpresión.

Al momento de la explosión se incrementa el numero de moleculas presentes en un pequeño espacio, y a la vez el aumento de temperatura debido a la liberación de energía, eso crea la onda de presión,
pero la Energía en forma de calor solo se transmite de tres formas por radiación, convección y conducción, las dos ultimas son de corto alcance, creando la bola de fuego y la primera radia en función de la temperatura alcanzada y durante el tiempo que la bola de fuego esta presente. Así que esto no es lo que viaja por el aire kilómetros sembrando destrucción,

La destrucción viene de la onda de presión mecánica del aire, durante un Delta de tiempo la presión se eleva, condensando el vapor de agua en el aire (en el gráfico de E a F), el agua condensada en microgotas es visible durante ese tiempo, luego al pasar la onda la presión vuelve a ser la atmosférica (en el gráfico de F a E), el aire se desplazo una fracción de distancia, que cambia a razón de la diferencia de volumen, entre el volumen de gas creado y el de la semiesfera a la distancia radial considerada.



El aumento de presión sobre cualquier superficie plana crea una fuerza proporcional al área, rompiendo, todo lo que sea frágil como vidrios, y flexionando materiales, los cuales llegados a la limite de tensión, primero se estiran, deforman, o quiebran, según sus propiedades.

Solo se considera la semiesfera, porque debajo hay suelo , sobre el cual la onda rebota, y magnifica fuerza,
La transmisión de la onda por medio solido como lo es es suelo, viajó mas rápido que el sonido en el aire , detectandose en el servicio de sismología, en este caso como un sismo de 3,3 en la escala de Richter.

El sonido atravesó mas de 200 km lineales en zonas libres de obstáculos como es el mar y fue audible en Chipre.

la presión cae proporcional al cuadrado de la distancia, y el volumen con el cubo , luego, los vientos, decaen primero, pero la onda avanza mucho más incluso que la nube de vapor , que deja de ser visible cuando el pico de presión es insuficiente para el cambio de fase.

[Chusg]

Richard, lamento tener que discrepar en algunas cosas. En primer lugar lo de la "subpresión" no es una suposición mía para explicar la condensación: es según parece un hecho demostrado experimentalmente. Mira por ejemplo en este enlace la llamada "Curva de Friedlander", que describe cómo primero aumenta bruscamene la presión y luego disminuye por debajo de su valor inicial, hasta recuperarse luego la presión normal:
https://en.wikipedia.org/wiki/Blast_wave

Por otra parte, un cambio de presión brusco en el aire, excepto en la zona inmediatamente próxima a la explosión, será un cambio de presión adiabático, en el que el aire no absorbe calor: en esas condiciones la termodinámica nos enseña que al aumentar la presión del aire su temperatura también aumenta, y al disminuir la presión también disminuye su temperatura. Así mismo, aunque esto no es totalmente elemental de demostrar, también se sabe (teórica y experimentalmente) que en la compresión adiabática de aire húmedo su humedad relativa disminuye (se aleja del punto de condensación), y al contrario, el enfriamiento por expansión adiabática es lo que aumenta la humedad relativa y puede producir condensación, como en las cámaras de niebla que se usaban para detectar partículas.

Saludos

[Richard R Richard]

se debe a la condensación del vapor del aire en la zona de subpresión que sigue a la onda de choque, .

Pues también discrepo, precisamente en esa interpretación, la condensación ocurre por aumento de presión a la temperatura dada, no en la zona de subpresión, esta es posterior a la onda expansiva, no leo en el documento que presentas tal conclusión.

Entiendo que la zona de subpresión es que se debe a la conservación de la cantidad de movimiento del aire, Te cuanto como lo entiendo, si mueves aire, este tiene masa, si lo alejas veloz, y radialmente de un punto dado (el de la explosión), al cesar la fuente, el aire continua su movimiento, por la segunda ley de Newton, no se frena inmediatamente, luego la región interior al radio que evalúes queda con menor masa de aire en el mismo recinto es decir queda con presión inferior a la reinante inicial, la que se recupera luego de un tiempo por conservación de la energía, (Puedes analizarlo por Bernoulli) luego el aire circundante fuera del recinto vuelve al interior por tener mayor presión, este regreso en menos veloz, ya que el pico de Presión es mayor que a 1 atmósfera y el vacío solo puede alcanzar -1 atm de presión relativa.

Coincido contigo que el proceso que sigue la onda es adiabático,

se sabe (teórica y experimentalmente) que en la compresión adiabática de aire húmedo su humedad relativa disminuye (se aleja del punto de condensación),

Eso es indiscutible, referencia de ello...

En la compresión isentrópica del aire húmedo la humedad relativa disminuye, como se puede deducir de (8.3), y el agua líquida que se desprende en los compresores de aire proviene de la etapa posterior de enfriamiento a alta presión, donde sí hay condensación.

Fuente :http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro...0aire%20humedo

pero fijate que para que haya condensación, debe haber enfriamiento luego de la compresión,

y al contrario, el enfriamiento por expansión adiabática es lo que aumenta la humedad relativa y puede producir condensación, como en las cámaras de niebla que se usaban para detectar partículas.

En la cámara original de Wilson, el aire dentro del dispositivo sellado estaba saturado con vapor de agua, entonces se usaba un diafragma para expandir el aire dentro de la cámara (expansión adiabática). Esto enfriaba el aire y el vapor de agua comenzaba a condensarse.

https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1mara_de_niebla


El aire ambiente no esta saturado para que se produzca el efecto de condensación por expansión adiabática.

La nube se extingue desde el centro hacia el exterior,Puedes verlo en todos lo videos, si el efecto fuera por presión relativa negativa, el últimos lugar de disipación de la nube sería el centro donde el aire a presión relativa normal tardaría más en llegar.

[Chusg]

Aquí hay dos temas: el motivo original del hilo era entender el por qué de la fase negativa de la onda de presión, que al parecer se produce independientemente de que haya o no condensación. Sigo sin estar muy seguro de si esa fase negativa también ocurriría si el aumento de presión inicial se produjera por el avance brusco de un pistón en un tubo lleno de aire, o si ocurriría únicamente si una vez que el pistón avanza bruscamente luego vuelve a retroceder. En el primer caso no entiendo por qué podría ocurrir la fase negativa, ya que el aire tiene inercia, sí, pero lo mismo ocurre al aire que viene detrás. Para que se produzca un vacío sería necesario que el pistón volviera a retroceder, y en el caso de la explosión no me queda muy claro cual sería el fenómeno equivalente, salvo que el aire en el centro de la explosión se contrayera rápidamente por enfriamiento no adiabático tras la expansión inicial.

El otro tema es el mecanismo de condensación. Las explicaciones que he leído lo relacionan con la fase negativa o de subpresión ( https://es.wikipedia.org/wiki/Nube_de_Wilson ). Además, si te he entendido bien, estamos de acuerdo en que excepto en la inmediata vecindad del explosivo, los procesos termodinámicos en el aire de la onda expansiva son adiabáticos, esto es, el cambio de temperatura sólo se produce por conpresión o expansión del aire. Si también estamos de acuerdo en que la compresión adiabática disminuye la humedad relativa, entonces no es posible que la condensación se produzca por compresión. En cambio me parece que tiene toda la lógica que se produzca en la fase de subpresión, como dicen en Wikipedia. No es necesario que el aire esté saturado antes del enfriamiento: puede llegar a la saturación precisamente por enfriamiento adiabático (es uno de los mecanismos clásicos bien conocidos de formación de nubes). De todas formas no en todas las explosiones se produce nube de condensación, es necesario que haya bastante humedad, creo que principalmente se observa cuando la explosión tiene lugar en el mar o cerca de él.

Saludos

[Livilro]

El ejemplo del pistón entiendo que entra en juego la 3° ley de Newton.

Supongamos que avanza el pistón en una dirección y el otro extremo del tubo sea estático y hermético.


Al ejercer presión en una dirección es el mismo extremo opuesto quien reacciona creando la subpresión en la direccion opuesta.


Se mueva un extremo del tubo o el otro puede considerarse equivalente al fin y al cabo,
la presión no distingue cual de los extremos seria el accionado.

De hecho provocaria presion negativa desde todos los puntos de la superficie interior del cilindro, no solo de los extremos.


¿Ahora donde esta, o mejor dicho como se distribuye esa presión negativa dentro del tubo de aire accionado mediante un piston ? Buena pregunta.

[Richard R Richard]

https://es.wikipedia.org/wiki/Nube_de_Wilson



Si entiendo el proceso de reducción de presión, por la inercia del aire, pero la nube debería disiparse desde el exterior hacia el centro , como se restituye el equilibrio sin intercambio de calor con nada, y si entra aire sera del exterior no por el centro.
Así me llamo al silencio hasta que lo entienda.
Para mi es mas simple, pensar que condensa por exceso de presion y se evapora por volver a la misma presión inicial.

[Chusg]

El ejemplo del pistón entiendo que entra en juego la 3° ley de Newton.
Supongamos que avanza el pistón en una dirección y el otro extremo del tubo sea estático y hermético...

Como puse en algún sitio más arriba, para que sea más o menos análogo a la explosión suponía que el tubo es muy largo y analizamos lo que pasa con la onda de presión antes de que la perturbación llegue al otro extremo. A efectos de lo que queremos ver puedes suponer que el tubo es infinitamente largo, en la escala de tiempo que nos interesa. Una vez que la onda llegara al otro extremo del tubo, la analogía deja de ser válida y tendríamos un comportamiento distinto.

[Livilro]

Interpretas una onda que avanza desde un extremo del tubo al otro pero no seria del todo correcto.

Tenemos un tubo absolutamente hermético, sin la mas minima posibilidad de perdida,
es el tubo perfecto y puede ser tan largo como desees.


Ahora mismo te encuentras dentro del tubo y no sabes cual es el mecanismo exterior que produce el aumento de presión.



Puedes interpretar:

A- Que el extremo unido al tubo son estáticos y es el otro extremo el que avanza generando presión.
( un pistón )

B - Que el extremo unido al tubo es el que avanza y el otro extremo no unido a nada es estático, es decir, que lo que avanza es todo el tubo en la dirección opuesta al caso A.



El aire no puede distinguir cual es la acción real externa que lleva al aumento de presión.
No distingue si lo que se mueve realmente es uno de los extremos o el otro,
por lo que no se puede crear una onda con la dirección definida dentro del tubo que interpretas.

Independientemente de la largura del tubo.




La imagen de la onda que propones Chusg es motivada por saber desde donde externamente se esta produciendo el movimiento,

pero eso lo sabes tu jej el aire no se ajusta a ese conocimiento externo.



En el caso de la explosión reciente es verdad que hasta cierto punto podemos considerar ciertas partes de la mecanica del tubo de aire, pero no podemos valorarlo como si dimensional y direccionalmente sea el mismo caso. (Aunque porsupuesto guardara sus relaciones)

[Richard R Richard]

Un tema para un nuevo hilo,

"El aire no puede distinguir cual es la acción real externa que lleva al aumento de presión."

El aire tiene masa, y puede notarse en el si están siendo aceleradas o no cada una se sus moléculas A y B son situaciones diferentes.

[Chusg]

Pensé que lo del tubo podría servir de ayuda conceptual al ser un sistema más simple pero a lo mejor es liar más las cosas. Piensa si quieres que el extremo del tubo opuesto al émbolo está abierto, y no cerrado. En cualquier caso, cualquier perturbación de presión producida por el émbolo en uno de los extremos tardará un tiempo en llegar al otro extremo. Durante ese tiempo, creo que, en lo referente al tema que nos ocupa, es un sistema bastante análogo al que nos interesa. Pero si va a liar más las cosas, olvidad el tubo.

[Livilro]

Con la corrección del extremo del tubo abierto es mas correcto y relacionable a la explosión