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Ingeniería del fuego: cómo construir el mejor fuego científicamente

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El fuego es quizás el proceso más crucial para mantener la vida civilizada, pero no es tan simple como encender un fósforo. Existe una manera de diseñar perfectamente el fuego para maximizar la distribución del calor, la velocidad de combustión y la eficiencia. Diseñemos fuego.

Que fuego necesita

La fogata necesita tres cosas para que ocurran: oxígeno, calor y combustible. Este es el triángulo de fuego básico, pero crear un fuego perfecto no es tan simple. Lo crea o no, se han publicado varios estudios sobre lo que se necesita para crear un fuego perfecto, el más conocido es el de un equipo de la Universidad de Duke, publicado en Nature Scientific Reports. El equipo examinó las diferentes formas en que las personas instalan fogatas y descubrió que las mejores fogatas son tan anchas como altas. Esto perpetúa la forma piramidal básica que se ha utilizado durante siglos. Sin embargo, una conclusión no es nada si no está respaldada por datos.

El equipo desarrolló una ecuación que graficaba la forma del fuego en función de la temperatura, que se puede ver a continuación. Cuando la relación entre la altura (H) y la escala de la longitud de la base (D) era aproximadamente uno, el equipo descubrió que la temperatura del fuego era la más alta. La escala de longitud de la base es una unidad que el equipo utilizó para ignorar la forma del fuego en el estudio, por ejemplo, un fuego cuadrado de ancho W tendría el mismo valor D que un fuego cónico con un diámetro igual al ancho W.

Entendiendo las matemáticas

Se descubrió que la razón de este rango de conductividad térmica maximizada alrededor de una relación H / D de uno era la capacidad del aire para fluir a través de las densidades variables dentro y fuera del fuego. Cualquier fuego dado se alimenta de oxígeno a través de un diferencial de presión con el aire a su alrededor. A medida que arde el fuego, el aire caliente de baja densidad se acumula en el interior y el aire (relativamente) frío de alta densidad se sienta alrededor del fuego. La velocidad a la que el aire fluye a través del diferencial de presión depende de la densidad del aire circundante (ρ), la aceleración gravitacional (g), el coeficiente de expansión térmica en el fuego (β), el diferencial de temperatura (ΔT) y la altura (H) del fuego. El equipo relacionó estos términos en la siguiente ecuación.

ΔP ~ρgβΔTH

En última instancia, se descubrió que el flujo de aire se maximizaba cuando la relación altura / base era uno, como se discutió anteriormente. Como haría cualquier buen ingeniero, cuando reconocieron este punto de máxima eficiencia, pasaron a comprender el comportamiento de los incendios en formas extremas, un fuego corto y ancho y un fuego alto y delgado.

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Al estudiar el extremo más alto y delgado, el equipo descubrió que a medida que la superficie de un incendio se hacía más alta, mientras que el volumen se mantenía igual, la distancia desde cualquier punto dado dentro de la estructura disminuía. Relacionaron las densidades del aire circundante con el área de la sección transversal de la estructura del fuego. A su vez, el equipo descubrió que a medida que el fuego aumenta proporcionalmente, la temperatura corporal disminuye exponencialmente.

El equipo ahora había encontrado lo que llamaron el límite alto para incendios. Continuando, buscaron el límite poco profundo para un incendio. Usando ecuaciones similares pero ligeramente variadas, los investigadores también encontraron que a medida que un cuerpo de fuego se vuelve menos profundo, la temperatura corporal disminuye exponencialmente. En conjunto, encontraron que el punto óptimo de altura es igual a ancho o diámetro, lo que permite una máxima transpirabilidad y, por lo tanto, eficiencia, dados los diferenciales estándar de temperatura y presión en el aire circundante.

Escogiendo las variables correctas

Más allá de las matemáticas del flujo de aire de la fogata, también existen diferencias razonables en la quemabilidad de varias maderas. Para iniciar un incendio, necesitará una fuente de combustible que se queme y se encienda rápidamente. Para ello, puede utilizar una madera blanda como pino o abeto. Esto creará una llama caliente de combustión rápida. Después de que se apague el fuego, opte por agregar una madera dura, como abedul o arce. La madera también debe estar seca, o el fuego puede apagarse o expulsar el exceso de energía en humo.

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Diseñar la fogata perfecta tiene más que ver con la termodinámica y la densidad de los materiales, aunque la investigación de Duke y de otros solo confirmó cómo los humanos han estado haciendo fuego durante siglos. Los antiguos egipcios tenían el fuego piramidal de la relación altura / base hace siglos, y en su mayor parte esta técnica de hacer fuego se ha convertido en conocimiento básico. Sin embargo, ahora puedes molestar a tus amigos que no son ingenieros con las matemáticas detrás de una fogata, seguramente serás un éxito en tu próxima fiesta.


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