Física

Mecánica de fluidos

Definición: La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de los medios continuos. A su vez es una rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan. Los fluidos se dividen en Gases y líquidos, estos tienen una característica similar: son incapaces de resistir esfuerzos cortantes, lo cual provoca que no tengan una forma definida.

La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. 

Términos:

• Densidad: Se define como la masa por unidad de volumen. Sus unidades en el sistema internacional son [kg/m3]Para un fluido homogéneo, la densidad no varía de un punto a otro y puede definirse simplemente mediante
• Peso específico
• Volumen específico
• Viscosidad
• Presión: Presión= h (m.c.a)
• Compresibilidad
• Dilatación térmica
• Velocidad: Velocidad = v = (2 g. h)^0.5 donde g= 9,81m/s^2 
• Àrea: Área (A) en m2 (si la sección es circular A= pi . r^2) 
• Gasto= caudal= v. A 

Ramas

Hidrostática: La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.

Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez.

Son fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas.

Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Aplicaciones hidrostáticas: En la mayoría de equipos mecánicos, el contacto entre metales se reduce con una película de lubricante entre los componentes en movimiento. Sin embargo, los motores y las bombas hidráulicas funcionan a unos niveles tan elevados de presión que es imposible mantener una película de lubricante constante. Esto puede provocar daños por rayado y raspado que reducirán significativamente la vida del componente.   En la mayoría de los casos, las características de la superficie de los componentes de estas aplicaciones constituyen el principal factor que limita la vida de los mismos. Al ofrecer una mayor resistencia al desgaste (incluso con poco lubricante), las superficies de ingeniería de Timken pueden ampliar la vida útil de los componentes en esas condiciones extremas. Para los clientes que necesiten una solución contra el desgaste prematuro de los componentes en las aplicaciones hidrostáticas, los expertos de Timken pueden diseñar una solución adecuada mediante los procesos de nuestras herramientas de superficies de ingeniería.

 Hidrodinamica: Es la parte de la hidraulica que estudia el comportamiento de los liquidos en movimiento.Para ello considera entre otras cosas la velocidad, la presion, el flujo y el gasto del liquido.
En el etudio de la hidrodinamica, el teorema de Bernoulli, que trata de la ley de la conservacion de la energia, es de primordial importancia, pues señala que la suma de las energias sinetica, potencial y de presion de un liquido en movimiento en un punto determinado es igual a la de otro punto cualquiera.
La hidrodinamica investiga fundamentalmente a los fluidos icompresibles, es decir, a los liquidos, pues su dencidad prcticamente no varia cuando cambia la presion ejercida sobre ellos.
Aplicacion de la Hidrodinamica Las aplicaciones de la hidridinamica, se pueden ver en el diseño de canales, puertos, prensas, cascos de barcos, elices, turbinas, y ductos en general.
El gasto se presenta cuando un liquido fluye atravez de una tuberia, que por definicion es: la relacion existente entr el volumen del liquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarde en fluir.

Principios:

• Arquímedes: Es un principio físico que afirma que:  "Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual peso del volumen del fluido que desaloja". Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímides, y se mide en newtons. El principio de Arquímides se formula así:

Donde E es el empuje, Pf es la densidad del fluido, V es el "volumen de fluido desplazado" por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del  fluido, del volumen del cuerpo y  de la gravedad existente en ese lugar. El empuje actúa verticalmente  hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

• Bernoulli: Describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una linea de corriente. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.
2. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.
3. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.

 

Donde:       

• V = velocidad del fluido en la sección considerada.
• Aceleración gravitatoria.  
• z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
• P = presión a lo largo de la línea de corriente.
• ρ = densidad del fluido.

Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos: 

• Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.
• Constante
• Flujo incompresible, donde ρ es constante.
• La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo irrotacional

Un ejemplo de aplicación del principio lo encontramos en el flujo del agua en tuberia.  

•  Pascal: En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: la presión ejercida por un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un embolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión. 

También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidraulicas, en los elevadores hidráulicos y en los frenos hidráulicos.

El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y del carácter altamente incompresible de los liquidos. En esta clase de fluidos la densidad es prácticamente constante, de modo que de acuerdo con la ecuación:

 Donde:

p , presión total a la profundidad.

Po ,presión sobre la superficie libre del fluido.

 p   ,densidad del fluido.

g   ,aceleracionde la gravedad.

h   ,Altura, medida en Metros.

          

La presión se define como la fuerza ejercida sobre unidad de área p = F/A. De este modo obtenemos la ecuación: F1/A1 = F2/A2, entendiéndose a F1 como la fuerza en el primer pistón y A1 como el área de este último. Realizando despejes sobre esta ecuación básica podemos obtener los resultados deseados en la resolución de un problema de física de este orden. 

Si se aumenta la presión sobre la superficie libre, por ejemplo, la presión total en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya que el término ρgh no varía al no hacerlo la presión total. Si el fluido no fuera incompresible, su densidad respondería a los cambios de presión y el principio de Pascal no podría cumplirse. Por otra parte, si las paredes del recipiente no fuesen indeformables, las variaciones en la presión en el seno del líquido no podrían transmitirse siguiendo este principio.

Paradoja hidrostática:

Fuerza generada por la presión de un fluido en la base de un recipiente puede ser mayor o menor que el peso del líquido que contiene el recipiente, esta es la esencia de la paradoja hidrostática.

Al ver un fluido contenido en un recipiente con algunas características singulares, las cuales hagan ver los misos niveles de agua, nos muestran que los fluidos ejercen una presión vertical sobre el área, despreciando la forma del recipiente. 

Podemos analizar que la altura y el área del fondo del recipiente hacen parte fundamental para que los fluidos se comporten de ésta forma. El nivel del fluido siempre será paralelo a la superficie horizontal .