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CAPITULO 1

Propiedades de los fluidos

1.1. LA MECANICA DE LOS FLUIDOS Y LA HIDRAULICA

La rama de la mecánica aplicada que estudia el comportamiento de los fluidos, ya sea en reposo

o en movimiento, constituye la Mecánica de los Fluidos y la Hidráulica. En el desarrollo de los

principios de la Mecánica de los Fluidos algunas de las propiedades de los fluidos juegan un papel

preponderante, mientras que otras o influyen muy poco o nada. En la estática de los fluidos, el

peso específico es la propiedad importante, mientras que en el flujo de fluidos, la densidad y la

viscosidad son las que predominan. Cuando tiene lugar una compresibilidad apreciable es necesario

considerar los principios de la termodinámica. Al intervenir presiones manométricas negativas,

la tensión de vapor pasa a ser importante, y la tensión superficial afecta a la estática o cinemática

de los fluidos cuando las secciones de paso son pequeñas.

1.2. DEFINICION DE FLUIDO

Los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan a la forma de los recipientes que los

contienen. Cuando están en equilibrio, los fluidos no pueden soportar fuerzas tangenciales o cortantes.

Todos los fluidos son compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los cambios

de forma.

~ Los fluidos pueden dividirse en líquidos y gases. Las diferencias esenciales entre líquidos y

gases son: a) los líquidos son prácticamente incompresibles y los gases son compresibles, por lo

que en muchas ocasiones hay que tratarlos como tales, y b) los líquidos ocupan un volumen definido

y tienen superficies libres, mientras que una masa dada de gas se expansiona hasta ocupar

todas las partes del recipiente que lo contenga.

1.3. SISTEMA TECNICO DE UNIDADES

Las magnitudes fundamentales seleccionadas son la longitud, fuerza y tiempo. Las tres unidades

fundamentales correspondientes son el metro (m) para la longitud, el kilopondio * (kp) (kilo-

* En el texto original los sistemas de unidades utilizados son el British Engineering System y el Sistema Internacional

de Unidades (SI). En la traducción al español se ha mantenido el SI, y el British Engineering System se ha sustituido por

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2 MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRAULlCA

gramo fuerza o kilogramo peso) y el segundo (s). Las otras unidades pueden deducirse a partir de.

éstas. Así, la unidad de volumen es el m3

, la unidad de la aceleración el m/seg2

, la de trabajo el

kpm y la unidad de presión el kp/m2

. Algunos datos pueden venir dados en otras unidades y deben

convertirse al sistema metro-kilopondio-segundo antes de aplicarlos a la solución de los problemas.

La unidad de masa en ese sistema, la UTM (unidad técnica de masa), se establece a partir de

las unidades de fuerza y de aceleración. Para un cuerpo que cae en el vacío la aceleración a que

está sometido es la de la gravedad (g = 9,81 m/sg2 al nivel del mar) y la única fuerza que actúa

es su peso. A partir del segundo principio de Newton,

De aquí

o

fuerza en kp = masa en UTM . aceleración en m/seg2

peso en kp = masa en UTM . g (9,81 m/seg2)

peso Wen kp

masa M en UTM = g (9,81 m/seg2)

1.4. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)

(1)

En el SI las magnitudes mecánicas fundamentales utilizadas son longitud, masa y tiempo. Las

correspondientes unidades son el metro (m), el kilogramo (kg) y el segundo (s). En función de

éstas, la unidad de volumen es el m3

, la unidad de aceleración el m/s2 y la de densidad kg/m3

.

La unidad de fuerza en el SI, el newton (N), se deduce a partir del segundo principio de Newton:

fuerza en N = (masa en kg) . (aceleración en m/s2) (2)

Así, 1 N = 1 kg . m/s2. Utilizando el newton se deduce el julio (J), unidad de trabajo, es decir,

1 J = 1 N . m, y el pascal (Pa), unidad de presión o de tensión, como 1 Pa = 1 N/m2.

En el SI las temperaturas se dan generalmente en grados centígrados o Celsius CC); la unidad

de temperaturas absolutas es el grado absoluto o Kelvin CK).

1.5. PESO ESPECIFICO

El peso específico y de una sustancia es el peso de la unidad de volumen de dicha sustancia. En

los líquidos, y puede considerarse constante para las variaciones ordinarias de presión. El peso

específico del agua para las temperaturas más comunes es de 1.000 kp/cm3

. Véase el Apéndice,

Tabla 1 para valores adicionales.

el Sistema Técnico de Unidades, que tiene las mismas magnitudes fisicas fundamentales, es decir, longitud, fuerza y tiempo.

Para soslayar el inconveniente que supondría utilizar el mismo nombre (kilogramo) y el mismo símbolo (kg) para designar

al kilogramo fuerza (o kilogramo peso) (Sistema Técnico) y al kilogramo masa (SI), en la versión española, se designa por

kilopondio y se representa por kp al kilogramo fuerza, ya utilizado con profusión en la literatura técnica. (N. del T)

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 3

Los pesos específicos de los gases pueden calcularse mediante la ecuación de estado de los gases

o

(3)

donde p es la presión absoluta, V el volumen específico o volumen ocupado por la unidad de

peso, T la temperatura absoluta y R la constante del gas de que se trate.

R = ~ = constante universal de los gases

M g peso molecular

Como y = l/v, la ecuación (3) puede escribirse

p

y = RT

1.6. DENSIDAD DE UN CUERPO p (ro) = masa por unidad de volumen = y/g.

(4)

(5)

En el sistema técnico de unidades, la densidad del agua es 1.000/9,80665 = 101 ,972 (= 102)

UTM/m3 o kp seg2/m4

. En el sistema SI la densidad del agua es 1.000 kg/m3 a 4°C. Véase Apéndice,

Tabla 1.

1.7. DENSIDAD RELATIVA DE UN CUERPO

La densidad relativa de un cuerpo es un número adimensional que viene dado por la relación del

peso del cuerpo al peso de un volumen igual de una sustancia que se toma como referencia. Los

sólidos y líquidos se refieren al agua (a 20° C), mientras que los gases se refieren al aire, libre de

CO2 e hidrógeno (a 0° C y 1 Atm de presión 1,033 kp/cm2 = 101,3 kPa), como condiciones normales.

Por ejemplo,

peso de la sustancia

densidad relativa de una sustancia = ---=:---:-----:--::-------:::--peso

de igual volumen de agua

peso específico de la sustancia

...