DE LOS SÓLIDOS A LOS FLUIDOS

DE LOS SÓLIDOS A LOS FLUIDOS

Abud, Daniel Juan Alberto

Cátedra de Mecánica Analítica (Ingeniería Civil). Departamento de Física

Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba

Avenida Vélez Sarsfield 1611 (CP 5000) Córdoba. Argentina.

dabud@efn.uncor.edu ; daniel.abud@yahoo.com

RESUMEN

En este trabajo se ponen de manifiesto los contenidos conceptuales de dos asignaturas claves de la Ingeniería Civil: la Mecánica Analítica y la Mecánica de los Fluidos. Este es un artículo de carácter pedagógico-didáctico que pretende crear un hilo conductor entre ambas disciplinas. Por ejemplo, en la Cinemática del Cuerpo Rígido se habla de Campo de Velocidades, y en la Mecánica de los Fluidos también. ¿Son comparables? ¿Se trata de la misma cosa, o no? Se muestran aquí magnitudes físicas de una y otra rama de la Física. Este trabajo muestra, con algunos indicadores analíticos de conceptos, magnitudes y variables de la Física, cómo se pueden crear lazos entre la Mecánica de los Sólidos Rígidos y la Mecánica de los Fluidos.

OBJETIVOS

Establecer relaciones cognitivas comunes entre magnitudes de la Mecánica Analítica y la Mecánica de los Fluidos en la carrera de Ingeniería Civil de nuestra Facultad.

MÉTODO

El método seleccionado es el estándar de comparación de variables de dos disciplinas complementarias. De hecho, ambos espacios curriculares son correlativos en la carrera de Ingeniería Civil, poniendo de relieve en este artículo, las ecuaciones y variables que dan continuidad de una a la otra.

DESARROLLO

El estudio de la mecánica se remonta a los tiempos de Aristóteles y Arquímedes de lo cual fue necesario esperar hasta Newton (1642-1727) para encontrar una formulación satisfactoria de sus principios fundamentales. Estos principios fueron más tarde modificados por D'Alembert, Lagrange y Hamilton. Su validez permaneció sin discusión hasta que Einstein formuló su teoría de la relatividad en el año de 1905.

La Mecánica, en Ingeniería, es una ciencia nexo entre básica y aplicada, con el propósito de explicar los fenómenos físicos y proporcionar las bases físico-matemáticas (ecuaciones y soluciones) para las aplicaciones de la Ingeniería. La Mecánica de los cuerpos rígidos se divide en Estática y Dinámica, las cuales tratan con cuerpos en reposo y con cuerpos que se encuentran en un movimiento, respectivamente. La Mecánica de los Fluidos, también análogamente habla de Hidrostática y de Hidrodinámica, además, se divide en el estudio de los fluidos incompresibles y compresibles. Esta es una rama importante en Ingeniería Civil por el estudio de los fluidos incompresibles en la Hidráulica. Una de las tantas divisiones que se pueden hacer de la Mecánica es la de considerar la Mecánica de los Cuerpos Rígidos; la Mecánica de los Cuerpos Deformables y la Mecánica de los Fluidos. [1], [4], [5], [7], [8]

Comenzaré explicando los conceptos fundamentales y básicos a considerar. Según la RAE, se define sólido de la siguiente manera:

“Dicho de un cuerpo: Que, debido a la gran cohesión de sus moléculas, mantiene forma y volumen constantes.” Todos sabemos, y así lo hemos aprendido en la Escuela, que los fluidos se dividen en líquidos y gases, los fluidos son: “Se dice de las sustancias en estado líquido o gaseoso.” Entonces, de la palabra líquido podemos leer: “Dicho de un cuerpo de volumen constante: Cuyas moléculas tienen tan poca cohesión que se adaptan a la forma de la cavidad que las contiene, y tienden siempre a ponerse a nivel.”Y de los gases: “Fluido que tiende a expandirse indefinidamente y que se caracteriza por su pequeña densidad, como el aire.”

Si tratamos de unir estas definiciones, para hacer un ejercicio de recapitulación y distinción, el paso de los sólidos a los fluidos debemos enfocarlo desde la cohesión entre las moléculas que lo forman. En los sólidos, se dan fuertes cohesiones entre las moléculas, que los hacen mantener constantes, en su volumen y su forma. Estas fuerzas son menos importantes en los líquidos, lo que les permite variar de forma, pero manteniendo constante su volumen, mientras que en los gases se hacen prácticamente inexistentes permitiéndoles variar su forma y su volumen. [1], [9]

Los cuatro conceptos básicos utilizados en la mecánica son: MASA – FUERZA – ESPACIO – TIEMPO.

Masa: Esta magnitud escalar se utiliza para dar carácter intrínseco a la materia y comparar los cuerpos. En la Mecánica Clásica no varía.

Fuerza: Esta magnitud vectorial representa la acción de un cuerpo sobre otro cuerpo, puede ser ejercida por contacto físico o distancia. Una fuerza se caracteriza por su punto de aplicación, magnitud y su dirección y se representa por un vector.

Espacio: El espacio se asocia con la noción de la posición de un punto dado. La configuración de dicho punto puede ser definida de diferentes maneras, por ejemplo, por tres longitudes medidas desde un punto de origen (coordenadas).

Tiempo: Duración de las cosas sujetas a mutación. Es la sucesión de instantes del movimiento.

Se trata de comprobar analíticamente cómo se explican los fenómenos de la Mecánica en función de estas magnitudes básicas.

La partícula es una cantidad casi insignificante de materia, que ocupa un solo punto en el espacio. Un sistema de partículas está formado por un gran número de partículas que ocupan posiciones fijas entre sí. Un cuerpo rígido está formado por un gran número de partículas que ocupan posiciones fijas entre sí con fuerte cohesión.

Se denomina cuerpo rígido a un sistema material, tal que, para cualquier movimiento mantiene invariante la distancia entre dos puntos arbitrarios del mismo.[pic 1]

Para cualquier par de puntos P y Q: [pic 2]se demuestra que: [pic 3]. Lo que expresa que la proyección de dos puntos cualesquiera sobre la recta que los une, es constante, lo cual es también característico de los campos de momentos. [1]

CAMPO DE VELOCIDADES

Por la perpendicularidad de los vectores [pic 4] y [pic 5], podemos expresar: [pic 6], donde introducimos un cierto vector [pic 7], indeterminado. Entonces, nos queda la expresión final de un campo de velocidades. La velocidad del punto Q es la resultante de la velocidad del punto P, más el momento del vector [pic 8] aplicado en P, respecto a Q:

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