Zhukovski y el choque hidráulico

La obra Gente de la ciencia rusa (disponible en ruso) es una colección de ensayos reunidos por el

-Por Dr. Romeo Pérez Ortiz

2018-10-22
Ciudad de México

La obra Gente de la ciencia rusa (disponible en ruso) es una colección de ensayos reunidos por el filósofo soviético Iván Vasílievich Kuznetsóv, que trata de la vida y obra de varios científicos rusos, entre los que se encuentra el ingeniero Nikolái Yegórovich Zhukovski, uno de los precursores de la aerodinámica, aeromecánica, hidrodinámica e hidromecánica modernas. Fue el primero en resolver el problema del choque hidráulico, es decir, el choque violento que se produce sobre las paredes de una tubería cuando la velocidad de un fluido (líquido o gas) es modificada bruscamente.

Las obras completas de Nikolái Zhukovski están reunidas en 25 tomos y sus artículos periodísticos, tanto nacionales como internacionales, fueron alrededor de 200. Es considerado el fundador de la aviación rusa, así como de la  hidromecánica del siglo XIX. Los temas en los que incursionó van desde la teoría general de la estabilidad del movimiento, teoría de la regulación de las máquinas, distribución de la presión sobre los tornillos y tuercas, la resistencia de la rueda de una bicicleta, hasta el estudio de las colas de los cometas. En los campos de hidromecánica y aeromecánica destacó su trabajo Sobre el movimiento de un cuerpo rígido con cavidades que se llenan uniformemente por goteo de un líquido, mismo que fue galardonado con el premio Nikolái Dmítrievich Bráshman, que lo colocó en la lista de los fundadores de la hidromecánica del siglo XIX, al lado del físico británico George Gabriel Stokes, el alemán Hermann von Helmholtz y el matemático británico Horace Lamb.

El genio ruso nació el 17 de enero de 1847 en Oréjovo, Vladímir, una provincia ubicada al norte de Moscú. Aprendió a leer a edad temprana y leyó mucho, particularmente las obras de Charles Dickens, Walter Scott y Julio Verne. Incluso la novela Cinco semanas en globo de Verne se encontraba entre sus libros científicos. En 1858 ingresó al gimnasio (escuela secundaria) No. 4 de Moscú y en tercer grado se destacó como el mejor estudiante en álgebra, geometría y ciencias naturales. Después de graduarse entró a la Facultad de Física y Matemáticas de la Universidad Estatal Lomonósov de Moscú (MGU), donde eligió la especialidad de matemáticas aplicadas y posteriormente se interesó por la mecánica.

Sus biógrafos hablan del entusiasmo que le producía asistir a las conferencias de sus profesores Fiódor Alekséievich Sludsky y Vasíli Yákovlevich Tsínger, matemáticos mundialmente reconocidos en la rama de la mecánica; del primero recibió las herramientas del método analítico y del segundo el valor que representan las interpretaciones geométricas de los fenómenos. En 1870 ingresó como profesor de física al gimnasio No. 2 de Moscú (una escuela solamente para mujeres); en 1872 fue profesor de matemáticas de la actual Universidad Técnica Estatal Bauman de Moscú (MGTU) y en 1874 alcanzó el cargo de profesor asistente del departamento de Mecánica Analítica de la misma  universidad.

En 1876 publicó su primer trabajo científico La cinemática del fluido, con el que obtuvo el grado de maestro en matemáticas aplicadas. Posteriormente recibió una beca para estudiar tres meses en el extranjero. En París tuvo contacto con los prominentes científicos franceses Henry Aimé Résal, Paul Pierre Lévy y Jean Gaston Darboux. En 1882 defendió su tesis doctoral en matemáticas aplicadas que tuvo el título Sobre la estabilidad del movimiento. En 1886 se convirtió en profesor de la Facultad de Matemáticas y Mecánica de la MGU y fue simultáneamente profesor del departamento de Mecánica Analítica de la MGTU. Todas sus actividades pedagógicas y científicas estuvieron relacionadas con las dos mejores instituciones educativas de estudios superiores de Rusia y en ambas universidades introdujo investigaciones sobre aerodinámica teórica, técnica y experimental. Su investigación científica influyó en nuevos campos de la investigación, abrió nuevos ámbitos de estudio y dejó una huella imborrable en el desarrollo posterior de la mecánica y la aeromecánica.

Hacia 1898, nadie había entendido aún por qué las tuberías de agua se dañaban y se rompían en Moscú, cuyos daños representaban grandes pérdidas económicas para el Estado, porque tenían que ser reparadas constantemente. En 1897 se inició la construcción de un nuevo conducto de agua en la actual capital rusa y se le encargó a Zhukovski la tarea de investigar el problema de las tuberías. La solución la encontró al notar que el agua, por ser un fluido, es ligeramente elástico y si el grifo se cierra bruscamente en algún extremo de la tubería, las partículas del fluido detenidas y cercanas a la válvula son empujadas por aquellas restantes que todavía están en movimiento, lo que origina una sobrepresión, que genera ondas con velocidades superiores a las del sonido, ocasionando daños en las tuberías. De esta observación, Zhukovski dedujo la Ley de la propagación del movimiento ondulatorio. “Resulta que todos los fenómenos durante un choque hidráulico se explican por la aparición y propagación de ondas de choque en las tuberías. Compresión de agua y su expansión en las paredes de la tubería… los ingenieros que habían trabajado en este problema no habían prestado atención al hecho de que con un cierre muy rápido de la válvula, el agua se detiene y la presión aumenta”, comentó finalmente. 

La rigurosa solución matemática que proporcionó tuvo un fin práctico. Permitió ver que el “golpeteo” del agua a través de la tubería se propaga a una velocidad constante, y para tubos de hierro fundido de dos a seis pulgadas, la fuerza de la presión de choque es de aproximadamente cuatro atmósferas por cada 30 centímetros de velocidad perdida. Si la onda de choque llega a un callejón sin salida, la fuerza del choque se duplica. Por lo tanto, la mejor manera de proteger las tuberías contra los choques hidráulicos es simplemente cerrando los grifos de forma lenta, señaló el reconocido matemático ruso. Esta conclusión fue confirmada posteriormente mediante experimentos en instalaciones especiales del sistema de suministro de agua en Moscú. La solución al problema del choque hidráulico permitió ubicar los accidentes de las tuberías de agua sin necesidad de salir de las instalaciones de la estación de bombeo y sin esperar a que el agua saliera a la superficie para saber en qué lugar se encontraba la avería.

En conclusión, cuando una válvula se cierra rápidamente, el paso del líquido o gas que fluye en las tuberías se detiene y la energía de presión recae en la válvula y en las paredes de la tubería, generando ondas que se expanden dentro del conducto. Una perturbación en la velocidad de las ondas de presión ocasionará daños severos en las tuberías e instalaciones hidráulicas. La solución es cerrar lentamente la válvula o grifo, una solución a la que nadie había llegado. Fue Zhukovski quien se dio cuenta y resolvió en definitiva el problema. A los 74 años todavía seguía escribiendo a pesar de sufrir neumonía, síntomas de derrame cerebral y tifoidea. Sin embargo, el 17 de marzo de 1921 dejó de respirar el “padre de la aviación soviética”. Su pérdida fue un duro golpe para la naciente Unión Soviética.