La cinemática

Desarrollo

La cinemática estudia los conceptos requeridos para la mejor comprensión del movimiento de los fluidos.

Describe fluido de movimiento

Se define como flujo a un fluido en movimiento. Vamos a describir el flujo de un fluido en función de ciertas variables físicas como presión, densidad y velocidad en todos los puntos del fluido. Vamos a describir el movimiento de un fluido concentrándonos en lo que ocurre en un determinado punto del espacio (x, y, z) en un determinado instante de tiempo t. Así, la densidad de un flujo, por ejemplo, vendrá dada por p(x, y, z, t), y la velocidad del flujo en el instante t en ese mismo punto será v^⇀ (x, y, z),

Las partículas dentro de un flujo pueden seguir trayectorias definidas denominadas “líneas de corriente”. Una línea de corriente es una línea continua trazada a través de un fluido siguiendo la dirección del vector velocidad en cada punto. Así, el vector velocidad es tangente a la línea de corriente en todos los puntos del flujo. No hay flujo a través de una línea de corriente, sino a lo largo de ella e indica la dirección que lleva el fluido en movimiento en cada punto.

Para observar el flujo de un fluido, se pueden inyectar en las mismas diferentes sustancias, como partículas brillantes, tinte o humo, y así rastrear el movimiento de las partículas. Los rastros que dejan estas sustancias se denominan “líneas de emisión”.

Que es campo de flujo

Un campo de flujo es cualquier región en el espacio donde hay un fluido en movimiento, a condición de que la región o sub-región del flujo este ocupada por el fluido. Es importante mencionar que en cada punto del campo de fluido es posible determinar o especificar una serie de magnitudes físicas, ya sean escalares, vectoriales o tensoriales, que forman a s vez campos independientes o dependientes dentro del flujo.

Flujo estacionario y no estacionario

Flujo estacionario se da este tipo de flujo cuando las variables que lo caracterizan son constantes en el tiempo. Estas variables ya no dependerán del tiempo, como por ejemplo la velocidad la cual puede tener un determinado valor constante v^⇀ (x1, y1, z1) en el punto (x1, y1, z1), pero pudiera cambiar su valor en otro punto (x2, y2, z2). Así se cumple que: v^⇀

〖∂v〗^⇀/∂t=0

Un flujo es no estacionario si las variables físicas que lo caracterizan dependen del tiempo en todos los puntos del fluido v^⇀ (x, y, z), entonces:

〖∂v〗^⇀/∂t≠0

Como en un flujo estacionario la velocidad v^⇀ en un punto es constante en el tiempo, todas las partículas del fluido que llegan a un determinado punto seguirán moviéndose a lo largo de la línea de corriente que pasa por ese punto. Por tanto, en este tipo de flujo la trayectoria de las partículas es la propia línea de corriente y no puede haber dos líneas de corriente que pasen por el mismo punto, es decir, las líneas de corriente no se pueden cruzar. En un flujo estacionario el patrón de las líneas de corriente es constante en el tiempo.

Si el flujo no es estacionario, las líneas de corriente pueden cambiar de dirección de un instante a otro, por lo que una partícula puede seguir una línea de corriente en un instante y al siguiente seguir otra línea de corriente distinta.

Régimen de flujo

El régimen de flujo está definido por la combinación del efecto de gravedad y del efecto de viscosidad. Existen cuatro regímenes de flujo en los canales abiertos. Éstos son:

Laminar subcrítico: Cuando el Número de Froude es menor que la unidad, y el Número de Reynolds está en la zona laminar del diagrama de Moody.

Laminar supercrítico: Cuando el Número de Froude es mayor que la unidad, y el Número de Reynolds está en la zona laminar del diagrama de Moody.

Turbulento supercrítico: Cuando el Número de Froude es mayor que la unidad, y el Número de Reynolds está en la zona turbulenta del diagrama de Moody.

Turbulento subcrítico: Cuando el Número de Froude es menor que la unidad, y el Número de Reynolds está en la zona turbulenta del diagrama de Moody.

Número de Froude: (Fr) es un

...