martes, 28 de enero de 2014

¿En qué se parecen el agua y el fuego?

Estas Navidades, mientras mirábamos el fuego de la chimenea, mi hija me preguntó ¿quién puede más el agua o el fuego? No hay nada como una pregunta inocente como para que a papá friki-científico le salga el tan manido "DEPENDE". Evidentemente es una respuesta que a una niña de 6 años no le vale. Histórica y culturalmente los elementos agua y fuego han estado íntimamente unidos a la Humanidad y en la mayoría de las ocasiones se han presentado como contrarios: el agua apaga el fuego pero si el fuego es muy intenso es más poderoso que el agua. Pero ¿en qué se parecen estos elementos tan antagónicos? ¿Hay alguna situación en la que se comportan de forma similar?

Fuente
Para ilustrar este post tenía un germen de idea pero no tenía muy claro cómo enfocarla, así que decidí lanzar una "convocatoria" en Twitter para comprobar hasta qué punto las Redes Sociales y los Blogs sacan el friki que llevamos dentro. Tuve la agradable sorpresa de obtener respuestas e información muy interesantes que las iré citando a lo largo de esta entrada (ya habéis disfrutado de la foto de portada, una de las aportaciones de @BitacoraBombero).

Empecemos por lo más pequeño ¿Se puede obtener fuego del agua? @Agallas080 nos puso sobre la pista: la respuesta está en la química (¡nos os vayáis por favor! que esto mola). Si mediante un proceso electrolítico conseguimos romper la unión de la molécula de agua (H2O) y obtener Dihidrógeno (H2) y Oxígeno (O2) por separado, resulta que el H2 es altamente inflamable a temperatura ambiente en presencia de una chispa. Cuando arde reacciona con el oxígeno atmosférico obteniendo de nuevo agua:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + Energía (572 kJ/mol)

Y mirad lo que se han inventado estos tipos usando esta reacción ¡un soplete alimentado con agua en lugar de acetileno o butano!


Como ya vimos en anteriores entradas la reacción contraria y más conocida, esto es, obtener fuego a partir de la combustión vegetal, también genera agua, en este caso en forma de vapor.

Combustible forestal (CHO)n + (O2) + calor ----> Agua (H2O)+ (CO2)+Energía


Aumentemos un poco la escala. Como me apuntaba @SEIF_Cuenca, tanto el agua como el fuego son fluidos y su comportamiento se puede modelizar de forma similar. De hecho, muchos de los científicos especializados en el comportamiento del fuego son ingenieros mecánicos expertos en mecánica de fluidos. Y me temo que ahí se acaban las similitudes. O quizás no. A diferencia del agua líquida, el fuego es un fluido gaseoso (o también denominado "plasma frío" en la literatura Física, gracias @BitácoraBombero por tu aportación)  donde encontramos a su vez gases ardiendo en fase de llama y otros emitidos por dicha llama que se mezclan con la ceniza, vapor de agua y partículas procedentes de la combustión, conformando lo que denominamos "humo" (visible) mezclado con el resto de los gases (invisibles al ojo humano como el CO, CO2, CH4, etc). El humo tiene un comportamiento peculiar ya que, al ser aire caliente, tiende a ascender, generando el conocido fenómeno de la convección ("efecto chimenea", "columna de convección", "pirocúmulos o nubes de humo", etc., hablaremos de ello en otra ocasión). La llama, sin embargo, está vinculada al combustible que está ardiendo (salvo excepciones) y por tanto su comportamiento depende en gran medida de cómo es ese combustible. Este es el fundamento de lo que se denomina en la literatura de incendios forestales "modelos de combustible" o tipologías de combustible que arden "parecido" al verse afectadas por un frente de fuego y por tanto el comportamiento del fuego en las mismas condiciones de viento y pendiente del terreno se considera similar. Entonces ¿la llama se puede considerar un "río" de fuego cuando avanza a través de un modelo de combustible dado?

Avance del fuego por un modelo de combustible de hojarasca (Fuente)
Avance del fuego por un modelo de combustible de matorral (Fuente)
Avance del agua por una zona de hojarasca (Fuente)

A la vista de estas fotos, pocas similitudes encontramos entre la escorrentía superficial que provoca la lluvia y el avance del fuego. Si embargo mirad este típico ejemplo de un fluido que se encuentra con un obstáculo cilíndrico, como el agua que fluye por una ladera y se encuentra con tronco de un árbol:

Fuente
Aquí lo tenéis en esta simulación 3D. Fijaos en el efecto "Bernoulli" que se forma alrededor del obstáculo, esto es, a igualdad de caudal la velocidad del fluido en contacto con el obstáculo aumenta (zona más roja cerca del cilindro), como cuando ponéis el dedo en una manguera:


Este efecto que se produce en la capa límite entre el obstáculo y el fluido, asi como la turbulencia que se forma detrás del obstáculo es común a todos los fluidos. A algún lector/a le sonarán más estos ejemplos:

Fuente
Mar de nubes "chocando" con las Islas Canarias y turbulencia a sotavento (Fuente)
Y ahora atentos a lo que hace un frente de llama cuando se acerca a un tronco:

Ensayo de interacción de un frente de fuego con un tronco (túnel de viento del INIA)

Por tanto en condiciones de régimen estacionario del frente de llama y si no existen muchas turbulencias la llama interacciona con un tronco de forma similar al agua de escorrentía por una ladera, al menos para frentes de llamas de pequeñas dimensiones. Por tanto son aplicables algunas de las formulaciones clásicas de la hidráulica como el uso del número de Reynolds.

Fuente
Sigamos aumentando de escala. @JorgeGarcRivera compartió con la comunidad Fuegolab una de las propuestas más atrevidas: "El fuego recorre topograficamente los caminos del agua pero en sentido inverso" ¿Estáis de acuerdo? El agua encauzada (río, canal, tubería) o fluyendo a través de una cuenca (torrentes, avenidas, inundaciones) presenta una fuerza motora fundamental: la gravedad. Por tanto el agua siempre tiende a "moverse" por gravedad pendiente abajo. La presencia de obstáculos (como la vegetación, piedras, rugosidad del suelo, etc.) y cambios locales de pendiente, disminuyen o aumentan la velocidad del agua. En el caso del fuego, el viento y la pendiente "arriba" son las principales fuerzas motoras que condicionan la velocidad y el sentido de avance. Al igual que el agua pero en sentido inverso, los cambios locales de pendiente así como la presencia de diferentes modelos de combustible ("obstáculos" al mantenimiento de intensidad de la llama) pueden disminuir o aumentar la velocidad del frente de llama, . Comprobemos este fenómeno simulando un fuego en un modelo de combustible constante y sin viento (incendio topográfico):

video

Como veis se parece bastante a lo que nos dicen los modelos hidrológicos de escorrentía superficial sobre el comportamiento del agua de lluvia que baja sobre una ladera y cuyo caudal se reúne en un punto, que si queremos hacer la analogía, correspondería con el punto de inicio del incendio:

Escorrentía superficial en una ladera similar a la simulación de incendio presentada en el vídeo anterior (Fuente)
Os dejo a vosotros descubrir las diferencias, que en este caso son más importantes que los parecidos razonables, pero que nos muestra que la naturaleza fluida del agua y el fuego tienen sus puntos en común también a nivel de paisaje.

Por último, pero no por ello menos importante la alumna aventajada @Graluenfra nos recordó algo en lo que confieso que no había pensado para este post pero que es el pan de cada día para muchos bomberos forestales ¿Se puede apagar el fuego con fuego? Esto es ¿puede el fuego sustituir al agua en su propiedad de apagar un incendio? A algún lego de los incendios forestales esto les parecerá extraño pero deben de saber que para un bombero forestal una de sus herramientas principales es la antorcha de goteo y no la manguera. En este vídeo del proyecto europeo Fireparadox se explica el fundamento del contrafuego (supression fire), esto es, usar un frente de fuego generado por la dirección de extinción del incendio con el objetivo de quemar el combustible por delante del frente principal y por tanto extinguirlo: usar fuego para apagar el fuego.


En este otro vídeo de 2009 se observa cómo una brigada helitransportada de bomberos forestales planifica la ejecución de un contrafuego para frenar y extinguir el avance del incendio. Entre el minuto 1,50 y 2,30 se aprecia muy bien como se "enfrentan" el incendio y el contrafuego:


Por tanto el Ying y en Yang con el que empezamos esta entrada no están tan separados y tienen más propiedades comunes de lo que podríamos pensar, aunque claro está, son más importantes las propiedades que los separan. El conocimiento de estos fenómenos no es un mera curiosidad científica, tiene importantes aplicaciones sobre el desarrollo de modelos de simulación del comportamiento del fuego forestal, disminución de daños provocados en los árboles durante quemas prescritas, desarrollo de productos químicos empleados en la lucha contra incendios o desarrollo de índices de riesgo y peligro de incendios basados en la inflamabilidad de los combustibles.


Agradecimientos: Gracias a @BitácoraBombero @Agallas080 @JorgeGarRivera @SEIF_Cuenca y @Graluenfra por sus magníficas aportaciones a esta entrada. ¡Esto es trabajo en equipo!

Fuente


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11 comentarios:


  1. Enhorabuena por tu originalidad, y gracias a tí por hacernos participe de ello =)
    ¡La(s) musa(s) no te abandona(n)!
    Saludos.


    P.D. Se agradece lo de "aventajada" pero el dato es erróneo.:D

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    1. Gracias!! tendrás que demostrarme con una caña en la mano que sabes menos de lo que dices ;-) En RRSS la modestia se puede dejar a un lado mientras que no roces la imprudencia, un abrazo

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  2. Felicidades!!! Has conseguido un hilo argumental muy coherente a partir de una inocente pregunta y de varias divagaciones de pirofrikis. Un saludo

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    1. De divagaciones nada, a las pruebas me remito de que las pajas mentales tienen su base científica...y si no nos la inventamos, que esto es un blog!! Gracias por estar ahí. Un abrazo

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  3. Buen post... Genial para disfrutar de lo que a veces resulta cientificamente "denso".

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    1. Eso intento aunque no siempre lo consigo, me alegra ver en esta ocasión he acertado, tanto en el tema como en contar con la comunidad tuitera para echarme una mano. Un abrazo.

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  4. Javier,
    a relação (inversa) entre escoamento de água e avanço do fogo tem muitas falhas, a principal sendo que a água desloca-se sobre o solo, que é apenas o seu suporte material (se desprezarmos alguma água que se infiltra) enquanto o fogo se propaga consumindo o seu substracto, o combustível. Num terreno plano, a água espraia-se e pára, mas o fogo continuará a avançar desde que haja combustível...

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    1. O brigado João!! Como digo en el post son más las diferencias que las semejanzas pero quería mostrar algunas semejanzas curiosas que al público le suelen pasar inadvertidas. Muchas gracias por tu aportación, viniendo de ti es todo un honor. Un abrazo.

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  5. Hoy es un gran día. He descubierto este blog. Sigue así. Mil gracias.

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    1. Gracias!! Bienvenido a la comunidad Fuegolab. Desde que monté este tinglado hace algo más de un año no paráis de animarme para que siga con ello...pues eso haré. Como siempre digo vuestro impulso es el combustible de este proyecto personal de divulgación. Saludos!

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