Mecanica De Fluidos

s desde 1992.

Los Ingenieros de Fluidos están capacitados para desarrollar investigación aplicada, realizar diseños y soluciones ingenieríles a problemas prácticos; y además - gracias a su sólida base en ciencias básicas: Física y Matemática - tienen la capacidad de realizar transferencia tecnológica; es decir, interpretar, adaptar y aplicar la tecnología externa a la realidad nacional.

I. DESARROLLO DEL TEMA

FLUIDOS

1.- Concepto.-

Desde el punto de vista de la Mecanica de Fluidos, la materia solo puede presentarse en dos estados: Sólido y fluido. La distinción técnica radica en la reacción de ambos a un esfuerzo tangencial o cortante. “Un sólido puede resistir un esfuerzo cortante con una deformación estática; un fluido, no. Cualquier esfuerzo cortante aplicado a un fluido – no importa cuan más pequeño sea – provocará el movimiento del fluido. Éste se mueve y se deforma continuamente mientras se siga aplicando el esfuerzo cortante.

Como corolario podemos decir que un fluido en reposo debe estar en un estado de esfuerzo cortante nulo, que a menudo se denomina condición hidrostática de esfuerzos en análisis estructural. En esta condición, el círculo de Mohr se reduce a un punto y no hay esfuerzo cortante en ningún plano que corte el elemento en mención

Por lo tanto, un fluido se define como una sustancia que cambia su forma con relativa facilidad, los fluidos incluyen tanto a los líquidos, que cambian de forma pero no de volumen, como a los gases, los cuales cambian fácilmente de forma y de volumen.

Un fluido es cualquier gas o líquido que se encuentre a nuestro alrededor o contenido en un recipiente. El fluido puede ser un compuesto puro, tal como el agua destilada contenida en un garrafón, o bien una mezcla de compuestos, tal como el aire que respiramos, el cual consta mayoritariamente de oxígeno y nitrógeno en una proporción de 21 y 79% de volumen, respectivamente.

Existe otra definición más elaborada que define a un fluido como una sustancia capaz de fluir; entiéndase la fluidez como la propiedad de deformarse continuamente bajo la acción de una fuerza tangente al piano de aplicación por pequeña que sea.

2.- Características.-

Para empezar, resulta importante mencionar que existen dos tipos de Fluidos:

a) Flujo Laminar o Línea de Corriente:

Es uniforme de modo que los estratos contiguos del mismo se deslicen entre si de manera continua. Se caracteriza por el hecho de que cada partícula de éste sigue un trayectoria uniforme, las cuales no se cruzan entre si. Al rebasar cierta velocidad que depende de un gran número de factores, el flujo se hace turbulento.

b) Flujo Turbulento:

Se caracteriza por círculos pequeños a manera de remolinos erráticos llamados corrientes parásitas, los mismos que absorben una gran cantidad de energía y aunque cierta cantidad de fricción interna llamada “viscosidad” se presenta durante los flujos laminares, esta es mucho mayor cuando el flujo es turbulento.

Unas cuantas gotas de tinta o colorante echadas en un líquido en movimiento puede revelar de manera rápida de que clase de fluido se trata. Para ambos, se consideran las siguientes particularidades:

- El fluido puede considerarse comprensible o incomprensible; aunque ningún material es verdaderamente incomprensible, el flujo de muchos líquidos es tal que las variaciones en densidad son tan pequeñas que pueden ignorarse, lo que simplifica en gran forma el análisis.

- La viscosidad o fricción interna siempre está presente en el movimiento del fluido, pero también es con frecuencia lo suficientemente pequeña para ignorarla.

- El flujo puede ser estacionario, lo que significa que la velocidad del fluido en cada punto en el espacio permanece constante en el tiempo. Si la velocidad en un punto cambia, el flujo es no estacionario.

- El flujo puede ser rotacional o irrotacional. El irrotacional sino hay un momento angular neto de fluido en cada punto; esto es, un pequeña rueda de paletas colocada en cualquier lugar del fluido no rotaría; si la rueda rotara, como en un remolino o corriente parásita, el flujo sería rotacional.

3.- Propiedades.-

Aunque el campo de velocidades (V) es la propiedad más importante del flujo, éste interactúa con las propiedades termodinámicas del fluido, siendo las más importantes:

a) Presión (P):

Es el esfuerzo (de compresión) en un punto en un fluido en reposo. Después de la velocidad, es la variable más significativa en la dinámica de un fluido. Las diferencias o gradiantes de presión son generalmente las responsables del flujo, especialmente en conductos. En flujo a baja velocidad, la magnitud real de la presión suele no ser importante, a menos que baje tanto como provocar la formación de burbujas de vapor en los líquidos.

b) Temperatura (T):

Está relacionada con el nivel de energía interna del fluido. Puede variar considerablemente durante el flujo compresible de un gas. A pesar del extenso uso que hacen los ingenieros de las escalas Celsius y Fahrenheit, muchas de las aplicaciones requieren la utilización de temperaturas absolutas (Kelvin o Rankine). Si las diferencias de temperatura son fuertes, la transferencia de calor puede ser importante.

c) Densidad (ρ):

Es su masa por unidad de volumen. La densidad varía mucho en los gases, aumentando casi de forma proporcional a la presión. La densidad de los líquidos es casi constante - por tanto – la mayoría de ellos se puede considerar casi “incomprensibles”. En general, los líquidos son tres órdenes de magnitud más densos que los gases a presión atmosférica. El más pesado es el mercurio y el más ligero, el hidrógeno.

d) Peso Específico:

Es su peso por unidad de volumen. Al igual que una masa (m) tiene un peso (W = mg), la densidad y el peso específico están relacionados por la gravedad. Es muy útil en las aplicaciones de la presión hidrostática.

e) Densidad Relativa (S):

Es la relación entre la densidad del fluido y la de un fluido estándar de referencia, típicamente el agua a 4 ºC (para los líquidos) y el aire (para los gases).

f) Energía Potencial y Cinética:

En Termostática, la única energía asociada a una sustancia es la almacenada en el sistema por la actividad molecular y las fuerzas asociadas a los enlaces químicos, la cual se denomina Energía Interna (û). En los flujos, a ésta se le debe añadir

...