República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nacional BolivarianaUNEFA- Núcleo Anzoátegui

Física II

Prof.: C.I Bachilleres:

San Tome, Marzo de 2012

MECÁNICA DE LOS FLUIDOS

2

ÍndiceIntroducción………………………………………………………………………………Orígenes de la mecánica de fluidos………………………………………………………..Antecedentes de la mecánica de fluidos……………………………………………………..Objetivos de la mecánica de los fluidos…………………………………………………Propiedades de los fluidos…………………………………………………………………Conceptos básicos………………………………………………………………………….Sistema de unidades más utilizadas………………………………………………………..Viscosidad…………………………………………………………………………………….La Compresibilidad………………………………………………………………………….Tensión superficial…………………………………………………………………………Densidades de los líquidos………………………………………………………………..Valores típicos de las propiedades de los fluidos………………………………………….Principio de Arquímedes……………………………………………………………………...Tipos de fluidos……………………………………………………………………………Viscosidad Fluido newtoniano…………………………………………………………….Viscosidad Fluido no-newtoniano…………………………………………………………Estática de fluidos………………………………………………………………………….Presión……………………………………………………………………………………….Variaciones de presión como efecto de la altura del fluido…………………………………Aplicaciones Presión y Energía……………………………………………………………..Principio de pascal……………………………………………………………………………Dinámica de fluidos…………………………………………………………………………..Dinámica de Flujos incompresibles y sin rozamiento………………………………………..Ecuación de continuidad……………………………………………………………………Ecuación de Bernoulli………………………………………………………………………Tubos piezómetricos…………………………………………………………………….Formula de Torricelli……………………………………………………………………..Dinámica de los fluidos reales……………………………………………………………Flujo viscoso………………………………………………………………………………….Movimiento laminar……………………………………………………………………Flujo turbulento…………………………………………………………………………..Numero de Reynolds………………………………………………………………………Coeficiente de fricción………………………………………………………………….Flujo de capa limite……………………………………………………………………..Fluido Comprensible y Flujo incomprensible…………………………………………..Ramas y aplicaciones de la mecánica de fluidos………………………………………..Medidores de orificios…………………………………………………………………….Flujo de gas………………………………………………………………………………..Gases ideales y gases reales………………………………………………………………..Trampas de agua…………………………………………………………………………Medidores de codos………………………………………………………………………..Perdida de carga total……………………………………………………………………….Conclusión…………………………………………………………………………………..Bibliografía…………………………………………………………………………………..

345777910111212131315151618181818191920202021212222232323242525262727282929293132

Pág.

3

Introduccion

En términos físicos se considera como fluido a todo cuerpo que carece de elasticidad y tiene la propiedad de adoptar la forma del recipiente que lo contiene, partiendo de esto podemos decir que los fluidos, son tanto líquidos como gaseosos según lo representen las diferencias de intensidad de las fuerzas de cohesión de sus moléculas

En los líquidos la fuerza de cohesión de sus moléculas internas permite que las partículas se muevan libremente, aunque también mantiene una relación activa que hace que la sustancia, en este estado presente volumen constante.

Los gases, sin embargo, son fluidos de volumen variable; la fuerza de cohesión entre sus moléculas son mucho menores, por lo que sus moléculas pueden moverse libremente en todo el volumen del recipiente que lo contiene.

El estudio de la mecánica de fluido esta abordado por la hidrostática, disciplina física que analiza las condiciones de equilibrio de este tipo de sustancia, e hidrodinámica, que lleva a cabo el estudio de las leyes que rigen su movimiento.

4

Orígenes de la mecánica de fluidos

La Mecánica de Fluidos como la ciencia que estudia la cinemática y dinámica de los fluidos ante la acción de fuerzas aplicadas, se puede afirmar que los conocimientos de mecánica de Fluidos son científicos, porque conforman teorías corroboradas por la experimentación por lo cual se le puede atribuir al pueblo que habita en la región entre los ríos Tigris y Éufrates, y a los egipcios, haber sido los que iniciaron el desarrollo del conocimiento en mecánica de Fluidos además de ser la historia de cómo el ser humano ha aprendido a comprender el comportamiento de los fluidos y a crear aplicaciones tecnológicas que involucren a estos., sobre la base de la necesidad del manejo del agua y por lo tanto de los fluidos. Y la razón que motivo dicho desarrollo ha sido sin dudas la importancia del agua en el desarrollo de la vida. De donde se concluye también que la historia de la mecánica de Fluidos es en cierto modo paralela a la historia de la civilización ya Dicha disciplina nació con el surgimiento de la agricultura en los primeras florecimientos humanos, que implicó la creación de sistemas de regadíos y canales y la acumulación del primer corpus de conocimientos sobre el agua, además de favorecer un auge de la navegación. Con la Antigüedad Clásica vivió, como muchas otras ciencias, una etapa de esplendor con el asentamiento de los primeros principios científicos modernos por Arquímedes y el culmen técnico que supusieron las grandes obras hidráulicas romanas. En fin es difícil separar la historia del hombre y la del agua, tan necesaria para la vida del primero. Descontando un uso natural del agua en la prehistoria para beber, pescar y navegar a pequeña escala, es con el comienzo de la agricultura en el Neolítico cuando comienza el hombre a preocuparse por aprovecharla de forma sistemática.

La mecánica como ciencia apareció en el periodo helenístico por medio de Arquímedes, quien describió cuantitativamente las leyes de la palanca y otras máquinas simples, las cuales con su uso dieron origen a las primeras nociones de dinámica y estática. Arquímedes estableció los fundamentos de la estática y fue el fundador de la hidrostática al enunciar su famoso principio. Además de Arquímedes a lo largo de los años también existieron varios estudiosos de la física que poco a poco sirvieron como impulso al aportar valiosos principios para el desarrollo de la mecánica entre ellos podemos citar a Tartaglia, Galileo Galilei, Newton, Euler, Einstein, entre otros. La segunda oleada de innovaciones tuvo lugar durante el periodo helenístico. Los ingenieros griegos introdujeron el resto de dispositivos preindustriales de elevación de agua; en particular los que investigaron el movimiento de la rueda y la acción de bombeo.

Luego de este periodo surgieron una gran variedad de descubrimiento en la mecánica de fluidos todos esto hecho por los griegos fueron unos capaces ingenieros que desarrollaron en gran escala numerosas aplicaciones prácticas de los conocimientos que los griegos habían obtenido. Esto incluye la mecánica de fluidos en tanto que las calzadas romanas exigieron numerosos puentes (generalmente construidos apoyando un plano sobre un arco) y su avanzado urbanismo hizo necesarios los acueductos en las ciudades. La técnica de estos era similar, moviéndose el fluido por efecto de la gravedad a través de conductos de plomo. La canalización de agua también se desarrolló para la agricultura y para la minería, donde se usó como método para arrastrar tierras y obtener los metales buscados en zonas como León y Asturias, con yacimientos como Las Médulas. Con el

5

«ruina montium», se almacenaba agua con gigantescos sistemas hidráulicos para luego liberarla y extraer el mineral.

Antecedentes de la mecánica de fluidos

Los principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos científicos su estudio como mecánica de fluidos en si se ha visto como a lo largo de la historia de una u otra forma con los fluidos entre los más importante el agua. Este es el elemento vital para vivir el cual el hombre ha tratado de utilizar, compartir, con el cual trajo consigo diferentes inventos para obtenerla de forma fácil y sencilla, desarrollados esencialmente por dos grupos: los ingenieros hidráulicos y los matemáticos. Los ingenieros hidráulicos trabajaron desde un punto de vista empírico, mientras que los matemáticos se centraron en enfoques analíticos sin quedarse atrás los matemáticos por el hecho de no aprovechar la información experimental se vieron forzados a establecer hipótesis tan simplificadas que produjeron resultados a veces completamente opuestos a la realidad es por eso que el estudio de los fluidos debe ser una mezcla de teoría y experimentación. Con ello nace la ciencia de mecánica de fluidos.

Como la mayor parte de las ciencias, la Mecánica de Fluidos tiene una historia que se remonta a unos lejanos antecedentes aislados y perdidos en los orígenes de la actividad humana, destacando posteriormente una época de descubrimientos fundamentales, situada en los siglos XVIII y XIX, para llegar, finalmente, a la época de la práctica actual, en la que la denominación como ciencia surge del hecho de tratarse de unos conocimientos sólidamente establecidos.

Durante el Renacimiento, Leonardo da Vinci (1452-1519) demostró ser un excelente observador y experimentador que dejó en sus notas descripciones muy reales sobre el comportamiento de chorros y olas, el resalto hidráulico, la formación de torbellinos y el diseño de cuerpos de baja y alta resistencia, llegando a enunciar una forma de la ecuación de continuidad para flujos unidimensionales.

En este período histórico, las ideas de Arquímedes sobre la hidrostática fueron revisadas por S. Steven (1548-1620), Galileo Galilei (1564-1642) y B. Pascal (1623-1662). De éste último tiene especial importancia la idea de que la presión no depende de la orientación de la superficie sobre la cual actúa.

Galileo entendió, contradiciendo a Aristóteles, que la acción de un fluido sobre un cuerpo que se mueve en su seno genera una fuerza de resistencia que se opone al movimiento y que la magnitud de esa resistencia es proporcional a la velocidad, conclusión que fue aceptada por R. Descartes (1596- 1650) y por E. Marietta (1620-1684), que fue quien construyó el primer túnel aerodinámico. Este principio fue también inicialmente aceptado por C. Huygens (1629-1695), aunque cambió de opinión como consecuencia de los ensayos que realizó, estableciendo que la relación entre la resistencia y la velocidad es cuadrática y no lineal. Por su parte, E. Torricelli enunció la primera ley cuantitativa sobre la efusión de los líquidos bajo la acción de la gravedad, anticipando también que los vientos

6

son producidos por las diferencias de temperatura del aire y llevando a cabo mediciones de la presión atmosférica, utilizando para ello el manómetro de columna de mercurio, dispositivo todavía vigente en la actualidad en multitud de aplicaciones.

El definitivo impulso a la Mecánica de Fluidos se debe a Isaac Newton (1642-1727), que propuso las leyes generales del movimiento y la ley lineal de resistencia viscosa para los fluidos que hoy denominamos newtonianos, y aunque las leyes no quedaron formuladas en su principio tal como hoy las conocemos, algunos de los problemas estudiados por primera vez en su obra “Philosophianaturalis principia matemática” (1687), dieron lugar a las grandes teoremas que aparecerían en el siglo siguiente. Los problemas de Mecánica de Fluidos abordados por Newton trataron sobre la resistencia de corrientes de aire, el flujo a través de un orificio, la propagación de ondas en el agua, la oscilación del agua en un tubo, la resistencia que sufren los cuerpos al moverse en el seno de fluidos enrarecidos o densos, la propagación del sonido en el aire y la fricción interna del aire.

LaGrange (S. XVIII). Enuncia la ecuación de la función de corriente y función potencial.

Venturi (S. XVIII). Estudia el flujo en estrechamientos de tuberías. Descripción del efecto que lleva su nombre.

Froude (S. XIX). Enuncia las leyes de semejanza de los movimientos de los fluidos.

Navier (S. XIX). Plantea las ecuaciones generales del movimiento de un fluido con viscosidad.

Stokes (S. XIX). Plantea las mismas ecuaciones que Navier, casi al mimo tiempo.

Reynolds (S. XX). Estudia el movimiento en tuberías y describe la diferencia entre flujo laminar y turbulento, y la transición entre ambos tipos de movimiento.

Joukovsky (S. XX). Estudia el golpe de ariete, y distintos tipos de flujo alrededor de cuerpos fuselados.

Lanchester (S. XX). Desarrolla el estudio de alas sustentadoras, la circulación de la velocidad y los efectos de los torbellinos en herradura.

Prandtl (S. XX). Enuncia la teoría de la capa límite, y se le considera el fundador de la Mecánica de Fluidos moderna.

Una de las dificultades cruciales de la Mecánica de Fluidos ha sido, desde el principio de su desarrollo, la complejidad de las matemáticas necesarias para atacar la resolución de los problemas, incluso los aparentemente más sencillos, ya que inmediatamente surge la necesidad de utilizar ecuaciones diferenciales de tratamiento muy complejo que obligan a simplificaciones para lograr un método aproximado de resolución, y obtener al menos una idea general sobre la solución real.

7

Objetivos de la mecánica de los fluidos

Estudiar el comportamiento de los fluidos

Conocer e identificar las propiedades de los fluidos para llevar a cabo la elaboración de estructuras sostenibles en ellos ejemplo barcos, tuberías y todo lo relacionado al diseño de sistemas en el cual los fluidos son los elementos de trabajo.

Propiedades de los fluidos

Algunas de las propiedades de los fluidos juegan un papel preponderante, mientras que otras influyen muy poco o nada, por ejemplo:

En la estática de fluidos el peso específico es la propiedad importante. En el flujo de los fluidos la densidad y viscosidad son los que predominan.

Conceptos básicos

Viscosidad: es la resistencia de un líquido a fluir.

Densidad: Es la cantidad de materia que contiene un cuerpo.

Masa especifica: Es la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia .Se designa por P y se define

P=lim(m/v)

El peso específico o densidad absoluta: Es el cociente del peso del cuerpo por su volumen (expresado respectivamente en gramos y centímetros cúbicos, o en kilogramos y decímetros cúbicos). En los líquidos w puede permanecer constante para las variaciones ordinarias de presión.

W= P/V = d.g

Los pesos específicos de los gases pueden calcularse mediante la ecuación de estado de los gases o leyes de Charles y Boyle

P.v/T = P

Donde:P: es la presión absoluta en Kg/m2

V: Volumen especifico o volumen ocupado por la unidad de peso en m3/kg,T: la temperatura Absoluta expresada en grados kelvin (ºK=ºC +273).R: la constate de gas en m/ Kº

Densidad Relativa de un cuerpo: Es un numero adimensional que viene dado por la relación del peso del cuerpo al peso de un volumen igual de una sustancia que se toma

8

como referencia. Los sólidos y líquidos se refieren al agua 40C, mientras que los gases se refieren al aire libre de Co2 e hidrogeno al 00C y Atm de presión. Ej.

Densidad relativa de una sustancia: = Peso de la sustancia Peso de igual volumen del agua

= Peso específico de la sustancia Peso específico del agua

Volumen específico:Es el reciproco de la densidad absoluta, es decir, el volumen que ocupa un kilogramo de masa de una sustancia.

Gravedad específica:Es la relación entre el peso de la sustancia y el peso de un volumen igual de agua en condiciones standard. También se puede expresar como la relación de la densidad o del peso específico de la sustancia a la correspondiente densidad o peso específico del agua.

Presión de Vapor:Es la presión parcial que ejercen las moléculas en el espacio cuando escapan de la superficie de un líquido que se evapora. Si el espacio por encima de la superficie del líquido se encuentra limitado, entonces, después de cierto tiempo el número de moléculas de vapor que chocan contra la superficie de limitación y se condensan resulta igual al número de moléculas que escapan de la superficie en un intervalo de tiempo dado, estableciéndose el equilibrio. Como este fenómeno de la actividad molecular y esta a su vez es función de la temperatura, la presión de vapor de un fluido depende de la temperatura y aumenta con ella.

Coeficiente de dilatación:El aumento de temperatura ocasiona generalmente un aumento de volumen, tanto en sustancias sólidas como líquidas; se demuestra experimentalmente: si la variación de temperatura no es demasiado grande, el aumento de volumen es aproximadamente proporcional a la variación de temperatura. Por lo tanto es una constante que disminuye cuando desciende la temperatura y tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero.

Concepto de Hidrostática:Es el estudio de los fluidos incompresibles en condiciones estáticas o los líquidos en equilibrio.

Presión:Es la relación entre la intensidad de una fuerza y el área de la superficie sobre la cual actúa.

Una misma masa de fluido puede cambiar de forma a lo largo de su movimiento; debido a este hecho, las leyes de la mecánica de los fluidos se expresa en dos magnitudes física fundamentales, independientes de la forma que son la densidad y la presión.

Fluido: Sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En

9

contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares porque los sólidos pueden fluir muy lentamente.

Gas: Sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Los sólidos tienen una forma bien definida y son difíciles de comprimir. Los líquidos fluyen libremente y están limitados por superficies que forman por sí solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos.

Líquido: Sustancia en un estado de la materia intermedio entre los estados sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Los estudios de líquidos con rayos X han demostrado la existencia de un cierto grado de regularidad molecular que abarca unos pocos diámetros moleculares. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisotrópicas (propiedades que varían según la dirección dentro del material). En condiciones apropiadas de temperatura y presión, la mayoría de las sustancias puede existir en estado líquido

Los líquidos se caracterizan por una resistencia al flujo llamada viscosidad.

Sistema de unidades más utilizadas

Las magnitudes fundamentales seleccionadas son longitud, fuerza y tiempo. Las tres unidades fundamentales correspondientes son el metro para la longitud, el kilogramo fuerza (kilogramo peso) y el segundo.Las demás unidades surgen a partir de estas .Así la unidad de volumen es el metro cubico m3, la unidad de aceleración m/s2,la de trabajo Kgm y la unidad de presión Kg/m2 en algunos casos los datos pueden venir en otras unidades y deben convertirse al sistema metro-kilogramo, fuerza-segundo antes de llevar a cabo la solución de ejercicios.

La unidades de masa en este sistema, la UTM (unidad técnica de masa ) se establece a partir de la unidades de fuerza y de aceleración. Para un cuerpo que cae al vacío la aceleración al que está sometido es la gravedad (g=9;81m/s2 sobre el nivel del mar) y la única fuerza que actúa es su peso .

A partir del segundo principio de Newton,

Fuerza en kg = a masa en UTM x aceleración en m/seg2

De aquí

Peso en kg = masa en UTM x g(9.81 m/ seg2)

Masa M en UTM =peso en W en kg

10

g(9.81 m/ seg2)

Masa específica: Kg/m3

Volumen especificoUnidades:M.K.S: m3 / Kg

GravedadespecificaUnidades:Adimensional

Viscosidad cinemáticaUnidades: M.K.S: New.seg/m2; Técnico: Kg.P.seg/m2

Viscosidad

Es la Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.

Viscosidad Dinámica:Es una propiedad que tiene el fluido mediante la cual ofrece una resistencia al esfuerzo cortante, esta varía con la temperatura, aumenta con la temperatura en los gases y en los líquidos disminuye, pero en algunos casos es independiente de la presión. Mientras más denso, más viscoso.

Viscosidad cinemática:Es el cociente entre la viscosidad dinámica de un fluido y su densidad. Esta propiedad para los gases varía mucho con la presión y temperatura, mientras que para los líquidos varían sólo con la temperatura.

Flujos de la capa límite

Según la teoría molecular, cuando un fluido empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las moléculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera o límite para entrar en la región de flujo. Una vez cruzado el límite, estas moléculas reciben energía de las que están en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energía transferida, las moléculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. Al mismo tiempo, las moléculas de la capa de fluido en movimiento cruzan el límite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias, con lo que transmiten un impulso a las moléculas estacionarias. El resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del límite es que el fluido en movimiento reduce su velocidad, el fluido estacionario se pone en movimiento, y las capas en movimiento adquieren una velocidad media.

Para hacer que una capa de fluido se mantenga moviéndose a mayor velocidad que otra capa es necesario aplicar una fuerza continua. La viscosidad en poises se define como

11

la magnitud de la fuerza (medida en dinas por centímetro cuadrado de superficie) necesaria para mantener en situación de equilibrio una diferencia de velocidad de 1cm por segundo entre capas separadas por 1cm. La viscosidad del agua a temperatura ambiente (20 °C) es de 0,0100 poises; en el punto de ebullición (100 °C) disminuye hasta 0,0028 poises.

La viscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura y aumenta al crecer la presión. La viscosidad también está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. La presión de un vapor en equilibrio con su forma líquida, la llamada presión de vapor, sólo depende de la temperatura; su valor a una temperatura dada es una propiedad característica de cada líquido. También lo son el punto de ebullición, el punto de solidificación y el calor de vaporización (esencialmente, el calor necesario para transformar en vapor una determinada cantidad de líquido). En ciertas condiciones, un líquido puede calentarse por encima de su punto de ebullición; los líquidos en ese estado se denominan súpercalentados. También es posible enfriar un líquido por debajo de su punto de congelación.

Efectos del calor

La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy útiles como lubricantes cuando una máquina está sometida a grandes cambios de temperatura.

La Compresibilidad

Es una propiedad que presentan los cuerpos materiales de disminuir su volumen cuando se aumenta la presión ejercida sobre ellos. Es mucho mayor en los gases que en los líquidos y sólidos.El módulo de compresibilidad es el cociente, cambiado de signo, entre la variación de presión que experimenta un cuerpo y la variación relativa de volumen correspondiente.

Una de las diferencias fundamentales entre los líquidos y los gases es su comportamiento frente a los cambios exteriores de presión; así los líquidos son prácticamente incompresibles mientras los gases pueden reducir considerablemente su volumen.Se pueden distinguir dos tipos de compresión en los gases: una compresión a temperatura constante o isotérmica y una compresión en un recinto aislado sin intercambio de calor o adiabática. Se incluyen en este último tipo las compresiones rápidas, ya que en ellas no hay tiempo para que se produzcan intercambios de calor.

12

En una compresión isotérmica, el volumen (V) ocupado por una determinada masa gaseosa es inversamente proporcional a la presión (p), es decir, el producto p · V permanece constante. En una compresión adiabática es el producto p · Vg el que permanece constante, donde g es una constante característica del gas y que siempre es mayor que la unidad.

Tensión superficial

Es la condición existente en la superficie libre de un líquido, semejante a las propiedades de una membrana elástica bajo tensión. La tensión es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una atracción no compensada hacia el interior del líquido sobre las moléculas individuales de la superficie; esto se refleja en la considerable curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente. Concretamente, la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra.

La tendencia de cualquier superficie líquida es hacerse lo más reducida posible como resultado de esta tensión, como ocurre con el mercurio, que forma una bola casi redonda cuando se deposita una cantidad pequeña sobre una superficie horizontal. La forma casi perfectamente esférica de una burbuja de jabón, que se debe a la distribución de la tensión sobre la delgada película de jabón, es otro ejemplo de esta fuerza. La tensión superficial es suficiente para sostener una aguja colocada horizontalmente sobre el agua.

Densidades de los líquidos

La densidad de los líquidos se mide de una manera similar a como se midió la densidad de los sólidos. En este caso también se emplearán tres métodos: el del picnómetro, el de la probeta y el del principio de Arquímedes. Es necesario tener en cuenta la temperatura porque ésta influye en el valor de la densidad: a medida que aumenta la temperatura, la densidad del líquido se hace ligeramente menor.

Existen tres métodos para calcular las densidades de los líquidos:

Un picnómetro es un pequeño frasco de vidrio de volumen exacto y conocido (Vp). Se pesa vacío (wp), luego se llena completamente (incluído el capilar) con el líquido cuya densidad se desea determinar y finalmente se pesa (wpl). Con estos datos se puede calcular la densidad del líquido.

La densidad del líquido se puede calcular con ayuda de la ecuación:

Dónde:

Propiedad DesignaciónUnidades

13

dS= Corresponde a la densidad del sólido (d Cu = 8.96 g /cm3). wS= El peso.

Se usará el picnómetro para medir la densidad de cada líquido. Enjuague primero el picnómetro con un poco del líquido de interés antes de llenarlo. La densidad se calcula por medio de la ecuación:

DL =Wpl – Wp/Vp

. Densidad por el método de la probeta: Se pesa la probeta vacía y seca (wo),

enseguida se llena con V = 5.00mL del líquido problema y luego se pesa todo el conjunto (wf). La diferencia wf - wo corresponde a la masa del líquido. Entonces:

dL = (wf - wo) / V (3.3)

La densidad por el principio de Arquímedes:Se pesa un vaso de precipitados (en su lugar puede usarse un recipiente plástico) parcialmente lleno con uno de los líquidos problema (wb). Se obtiene el peso del sistema y se anota su peso como wT.

Peso del líquido =p2 - p1= peso neto del líquidoD= m

Valores típicos de las propiedades de los fluidos

Valores

Agua Aire

Masa especificaViscosidadCalor especificoPresión de vapor(20°)Tensión Superficial

γμ

CpPbσ

kg/m3g/ms

J/kg°Kbar

mN/m

1.0001,0

4.2000,02372,8

1,20,021.008

--

Principio de Arquímedes

Ley física que establece que cuando un objeto se sumerge total o parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido desalojado. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio.

El concepto clave de este principio es el ‘empuje’, que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua.

14

Por ejemplo, si un bloque metálico que posee un volumen de 100 cm3 se hunde en agua, desplazará un volumen similar de agua cuyo peso aproximado es 1 N. Por tanto, el bloque parecerá que pesa 1 N menos.

Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (y, por tanto, el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia fuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante. Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotará con 1/6 de su volumen sumergido dentro del agua, ya que en este punto el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque.

Por el principio de Arquímedes, los barcos flotan más bajos en el agua cuando están muy cargados (ya que se necesita desplazar mayor cantidad de agua para generar el empuje necesario).Además, si van a navegar en agua dulce no se pueden cargar tanto como si van a navegar en agua salada, ya que el agua dulce es menos densa que el agua de mar.

Estabilidad de un cuerpo sumergido y flotante

Para la estabilidad de un cuerpo sumergido el centro de gravedad debe estar directamente debajo del centro de empuje. Si los dos puntos coinciden el cuerpo sumergido está en equilibrio indiferente.

Para la estabilidad de cilindros y esferas flotantes el centro de gravedad del cuerpo debe estar por debajo del centro de empuje.

Cuerpos Flotantes

Un cuerpo flota en la superficie de un líquido cuando desaloja un volumen de líquido de un peso mayor al suyo .Para hacer flotar un cuerpomás denso que el agua basta, pues darle una forma que le permita desalojar un peso de agua igual al suyo propio ejemplo buques, boyas metálicas.

Centro de empuje

Es el centro de gravedad de la masa del líquido desalojado por el cuerpo flotante.

Aplicaciones del principio de Arquímedes

Puede hacerse flotar sobre el agua un cuerpo de cualquier densidad, con tal que se le dé una forma especial que le permita desalojar su peso de agua mayor que su peso propio.

Para levantar un cuerpo muy pesado caído al fondo del mar con cadenas muy tendidas se amarra el cuerpo a grandes barcos, cargados previamente de modo que se hundan lo más posible ; cuando se descargan dichos barcos, se elevan progresivamente y arrastran consigo el cuerpo al que están amarrados.

15

Los movimientos ascendentes y descendentes de los peces en el agua son facilitados por aparatos comparables con el ludión y constituidos por la vejiga natatoria. es un saquito de gas que el animal contrae o dilata según el movimiento que quiere ejecutar; de modo que aumenta o disminuye el volumen de su cuerpo volviéndose el empuje respectivamente menor o mayor, mientras su peso queda igual.

Tipos de fluidos

Caracterización General

De acuerdo con el elemento el volumen puede variar, será pequeño comparado con el sistema que estemos estudiando, pero grande comparados con las distancias que hay entre sus moléculas y con el número de ellas que compone el sistema.

Los fluidos se dividen en:

Comprensibles (Gases) Incompresibles (La mayoría de los líquidos)

Teniendo en cuenta que existen varios tipos de fluidos y que cada uno tiene un comportamiento diferente, este comportamiento se puede graficar en un diagrama vs du/dx, es decir, un diagrama esfuerzo-deformación que indica qué tipo de fluido es:

newtoniano, no newtoniano: Plástico ideal

RealDilatantesPseudo plástico Sustancia tixotrópica.

Viscosidad Fluido newtoniano

Un fluido newtoniano es un fluido cuyaviscosidadpuede considerarse constante en el tiempo. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformación es lineal y pasa por el origen, es decir, el punto [0,0]. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua.Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación debido a que el término la viscosidad dinámica es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado. Hay que tener en cuenta también que la viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre.

Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.

16

Matemáticamente, el rozamiento de un flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar por su relación

τ=μvⅆxⅆ

Dónde:

τ= Tensión tangencial, ejercida por el punto del fluido sobre la superficie sólida. Se expresa en unidades de presión (Pa).

μ= Es la viscosidad del fluido, se mide en Pa*s o kp*s/cm2.vⅆxⅆ

= Es la componente de velocidad perpendicular a la dirección del plano en donde se

calcula la tensión tangencial y se mide en s-1.

Viscosidad Fluido no-newtoniano

Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades geológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensiones bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio.

Los fluidos que no siguen la relación de proporcionalidad entre tensiones tangenciales y Velocidades de deformación se los clasifica en 3 grupos:

Fluidos no-newtonianos independientes del tiempo.

Fluidos no-newtonianos dependientes del tiempo.

Fluidos visco-elásticos, fluidos en los que a diferencia de los viscosos donde la energía de deformación es disipada totalmente, esa energía puede recuperarse como sucede en los sólidos elásticos. Se comportan como líquidos y sólidos, presentando propiedades de ambos. La relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de deformación viene dada por la ecuación vista anteriormente

Un ejemplo sencillo para describir los fluidos no newtonianos seria la pintura, la cual al aplicar con un pincel resulta fácil de aplicar y cuando cambia de temperatura se seca y se adhiere a las superficies.

Tipo de fluido Comportamiento Características Ejemplos

17

Plásticos

Plástico perfectoLa aplicación de una deformación

no conlleva un esfuerzo de resistencia en sentido contrario

Metales dúctiles una vez superado el límite

elástico

Plástico de Bingham

Relación lineal, o no lineal en algunos casos, entre el esfuerzo

cortante y el gradiente de deformación una vez se ha superado un determinado valor del esfuerzo

cortanteBarro, algunos

coloidesSeudoplástico

Fluidos que se comportan como seudoplásticos a partir de un

determinado valor del esfuerzo cortante

DilatanteFluidos que se comportan como

dilatantes a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Fluidos que siguen la ley de

potencias

SeudoplásticoLa viscosidad aparente se reduce

con el gradiente del esfuerzo cortante

Algunos coloides, arcilla, leche, gelatina,

sangre.

DilatanteLa viscosidad aparente se

incrementa con el gradiente del esfuerzo cortante

Soluciones concentradas de azúcar en agua, suspensiones de

almidón de maíz o de arroz.

Fluidos viscoelásticos

Material de Maxwell

Combinación lineal en serie de efectos elásticos y viscosos

Metales, materiales compuestos

Fluido Oldroyd-B

Combinación lineal de comportamiento como fluido

newtoniano y como material de Maxwell

Betún, masa panadera, nailon, plastilina

Material de KelvinCombinación lineal en paralelo de

efectos elásticos y viscosos

PlásticoEstos materiales siempre vuelven a

un estado de reposo predefinido

Fluidos cuya viscosidad

depende del tiempo

ReopécticoLa viscosidad aparente se

incrementa con la duración del esfuerzo aplicado

Algunos lubricantes

TixotrópicoLa viscosidad aparente decrece con

la duración de esfuerzo aplicado

Algunas variedades de mieles, kétchup, algunas pinturas

antigoteo.

Estática de fluidos

Estudia los fluidos en reposo y los objetos en el seno de dichos fluidos.

18

En un fluido en reposo la fuerza que ejerce el fluido en cada punto y sobre cada elemento infinitesimal del mismo solo puede ser perpendicular a la superficie del elemento; si no fuera así la fuerza se podría descomponer en una fuerza perpendicular y otra tangencial que haría moverse el elemento, con lo que no estaría en reposo. A este esfuerzo o tensión se le llama presión.

Presión

Un fluido en reposo no puede resistir fuerzas tangenciales, pues las capasdel fluido resbalarían una sobre la otra cuando se aplica una fuerza en esadirección. Precisamente esta incapacidad de resistir fuerzas tangenciales(esfuerzos de corte) es lo que le da la propiedad de cambiar de forma o seafluir. La presión de un fluido se trasmite con igual intensidad en todas direcciones y actua normalmente en cualquier superficie plana.

Por lo tanto sobre un fluido en reposo sólo pueden actuar fuerzasPerpendiculares. Tenemos por lo tanto que las paredes del recipiente, queContienen a un fluido en reposo, actúan sobre éste con fuerzasPerpendiculares a la superficie de contacto. De igual manera el fluido actúasobre las paredes del recipiente con una fuerza de igual magnitud y desentido contrario.Para estudiar la fuerza que un fluido ejerce sobre la superficie en contactocon él se define la presión p como la magnitud de la fuerza normal por unidad de área de superficie.

Variaciones de presión como efecto de la altura del fluido

El cambio de presión  en un líquidohomogéneo en reposo debido al cambio en elevación se puede calcular a partir de: (Suponiendo que g es constante entre las elevaciones consideradas)

pz−p1=−pg ( y2− y1)

Aplicaciones Presión y Energía

La presión y la energía están unidas mediante el concepto de energíaHidráulica.Cuandoel agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

El aprovechamiento de la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en  esencia la energía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalaciones e infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica.

Las centrales hidroeléctricas están condicionadas por las características del lugar de

19

emplazamiento. La topografía del terreno influye en la obra civil y en la selección del tipo de máquina (TURBINA).

Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Principio de pascal

Este principio fue creado por el físico y matemático, Blaise Pascal, este matemático francés enuncio su principio así: “el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible-líquido, contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”.

Es decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, ésta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo en la prensa hidráulica la cual funciona aplicando este principio.

Dinámica de fluidos

Es la rama de la mecánica de fluidos que se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento, estas leyes son de mayor complejidad a las de estática. Cuando el fluido es en movimiento suele usarse el principio de bernolli.

Dinámica de Flujos incompresibles y sin rozamiento

Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, el cual afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente.

Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido.

20

El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Se puede decir que este principio es importante para la medida de flujos.

Ecuación de continuidad

En mecánica de fluidos, la ecuación de la continuidad es aquella que propone la conservación de la masa, y su forma diferencial se expresa de la siguiente manera

Dónde:

= Es la densidad

t = El tiempo. = La velocidad del fluido

Ecuación de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido bajo condiciones variantes y tiene la forma siguiente:

Parámetros

En la ecuación de Bernoulli intervienen los parámetros siguientes:

: Es la presión estática a la que está sometido el fluído, debida a las moléculas que lo rodean

: Densidad del fluído. : Velocidad de flujo del fluído.

: Valor de la aceleración de la gravedad ( en la superficie de la Tierra).

: Altura sobre un nivel de referencia.

Tubos piezómetricos

21

Como su nombre indica, es un tubo en el que, estando conectado por uno de los lados a un recipiente en el cual se encuentra un fluido, el nivel se eleva hasta una altura equivalente a la presión del fluido en el punto de conexión u orificio piezómetrico, es decir hasta el nivel de carga del mismo.

La presión se puede expresar, de acuerdo con la ecuación de la hidrostática, como:

Dónde:

= Presión actuante sobre la superficie libre del fluido en el tanque= Densidad del fluido= Aceleración de la gravedad= Profundidad del punto que se está midiendo en el fluido

= Δh = elevación del fluido en el tubo piezométrico, por encima del punto en el cual se está midiendo la presión.

Formula de Torricelli

Uno de los principales fundamentos de la física actual es la aplicación de la energía y la presión de las masas ejercida por los cambios y por los componentes de la materia inerte(metales y tierras raras) dando el caso y la investigación coherente de un físico Italiano del siglo XVII de nombre Evangelista Torricelli fue la siguiente.

Es una aplicación de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio.

“La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio”

Dónde:

= La velocidad teórica del líquido a la salida del orificio= La velocidad de aproximación.

= La distancia desde la superficie del líquido al centro del orificio.= La aceleración de la gravedad

22

Para velocidades de aproximación bajas, la mayoría de los casos, la expresión anterior se transforma en:

Dónde:

= La velocidad real media del líquido a la salida del orificio= El coeficiente de velocidad.

Dinámica de los fluidos reales

Los fluidos reales se distinguen de los ideales en que poseen una cierta viscosidad, es decir, un rozamiento interior que origina tensiones tangenciales entre los filetes fluidos.

Cuando un elemento de fluido se mueve respecto a los elementos contiguos, este movimiento es obstaculizado por la existencia de esfuerzos tangenciales o cortantes que tienden a disminuir la velocidad relativa del elemento considerado con respecto a los elementos contiguos. Entonces se dice que el fluido es viscoso, y el fenómeno recibe el nombre de viscosidad.

Podemos considerar la viscosidad como una especie de rozamiento interno en los fluidos, en virtud del cual aparecen esfuerzos cortantes sobre la superficie de un elemento de fluido en movimiento relativo respecto al resto del fluido. Tanto los líquidos como los gases presentan viscosidad, aunque los primeros son mucho más viscosos que los segundos.

El movimiento de un fluido real es muy complejo. Para entenderlo fácilmente podemos observar estas características:

Fluido no viscoso. Se desprecia la fricción interna entre las distintas partes del fluido Flujo estacionario. La velocidad del fluido en un punto es constante con el tiempo Fluido incompresible. La densidad del fluido permanece constante con el tiempo Flujo irrotacional. No presenta torbellinos, es decir, no hay momento angular del fluido respecto de cualquier punto.

Flujo viscoso

Los fluidos reales siempre experimentan al moverse ciertos efectos debidos a fuerzas de rozamiento o fuerzas viscosas. Así, la viscosidad es responsable de las fuerzas de fricción que actúan entre las capas del fluido.

En los líquidos, esta surge de las fuerzas de cohesión entre las moléculas de la sustancia. La viscosidad en los líquidos disminuye con la temperatura, mientras que lo contrario sucede con los gases. Si un fluido no tiene viscosidad fluiría por un tubo horizontal sin necesidad de aplicar

23

ninguna fuerza, su cantidad de movimiento sería constante. En un fluido real, sin embargo, para mantener un caudal de fluido estable debe mantenerse una diferencia de presiones entre los extremos de la tubería.

Movimiento laminar

Se conoce como movimiento laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular.

El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos. El número de Reynolds es un parámetro adimensional importante en las ecuaciones que describen en qué condiciones el flujo será laminar o turbulento.

En el caso de fluido que se mueve en un tubo de sección circular, el flujo persistente será laminar por debajo de un número de Reynolds crítico de aproximadamente 2040.

Flujo turbulento

En mecánica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.

Para números de Reynolds más altos está elflujo turbulento, puede sostenerse de forma indefinida. En este tipo de flujo o movimiento, la perdida de energía es proporcional a la velocidad media, mucho mayor que en el flujo laminar.

Numero de Reynolds

El número de Reynolds, es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, para caracterizar el movimiento de un fluido. Este número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883.

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).

24

Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de Reynolds viene dado por:

O equivalentemente por:

Dónde:

= Densidad del fluido= Velocidad característica del fluido= Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica

del sistema= Viscosidad dinámica del fluido= Viscosidad cinemática del fluido

Según el número Reynolds los fluidos se dividen así:

Re <2000 Fluido ideal2000<4000 Fluido transitorio

>4000 Fluido Turbulento

Coeficiente de fricción

El coeficiente de rozamiento o coeficiente de fricción expresa la oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente adimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mu).

El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material. Depende además de muchos factores como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc. La naturaleza de este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies implicadas.

Flujo de capa limite

25

Según la teoría molecular, cuando un fluido empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las moléculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera o límite para entrar en la región de flujo. Una vez cruzado el límite, estas moléculas reciben energía de las que están en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energía transferida, las moléculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. Al mismo tiempo, las moléculas de la capa de fluido en movimiento cruzan el límite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias, con lo que transmiten un impulso a las moléculas estacionarias. El resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del límite es que el fluido en movimiento reduce su velocidad, el fluido estacionario se pone en movimiento, y las capas en movimiento adquieren una velocidad media.

Para hacer que una capa de fluido se mantenga moviéndose a mayor velocidad que otra capa es necesario aplicar una fuerza continua. La viscosidad en poises se define como la magnitud de la fuerza (medida en dinas por centímetro cuadrado de superficie) necesaria para mantener en situación de equilibrio una diferencia de velocidad de 1cm por segundo entre capas separadas por 1cm. La viscosidad del agua a temperatura ambiente (20 °C) es de 0,0100 poises; en el punto de ebullición (100 °C) disminuye hasta 0,0028 poises.

La viscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura y aumenta al crecer la presión. La viscosidad también está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. La presión de un vapor en equilibrio con su forma líquida, la llamada presión de vapor, sólo depende de la temperatura; su valor a una temperatura dada es una propiedad característica de cada líquido. También lo son el punto de ebullición, el punto de solidificación y el calor de vaporización (esencialmente, el calor necesario para transformar en vapor una determinada cantidad de líquido). En ciertas condiciones, un líquido puede calentarse por encima de su punto de ebullición; los líquidos en ese estado se denominan súpercalentados. También es posible enfriar un líquido por debajo de su punto de congelación.

Fluido Comprensible yflujo Incomprensible

Flujo comprensible:

Se denomina flujo compresible a aquel fluido cuya densidad varía significativamente ante un cambio de presión. Tanto los gases, como los líquidos y los sólidos, todos disminuyen su volumen cuando se les aplica una presión. La relación entre la variación de volumen y la variación de presión, es una constante K, propia de cada material, que depende de la elasticidad del mismo.

26

El valor de K es muy grande para sólidos y líquidos, ya que varían escasamente su volumen (por lo tanto su densidad) ante una variación de presión. Es por esta razón que se dice que la mayoría de los sólidos y líquidos son incompresibles. En cambio, el valor de K es muy pequeño para los gases, dado que ante una gran presión, su volumen disminuye mucho. Entonces decimos que la mayoría de los gases son fluidos compresibles.

La compresibilidad de un fluido también se puede evaluar mediante la velocidad en que se transmiten pequeñas perturbaciones dentro del mismo fluido. A esta velocidad se le llama velocidad sónica, o velocidad del sonido en el fluido. Los fluidos compresibles tienen bajas velocidades sónicas; en los flujos incompresibles, la velocidad sónica es alta.

Flujo incomprensible:

Un fluido incompresible es cualquier fluido cuya densidad siempre permanece constante con el tiempo, y tiene la capacidad de oponerse a la compresión del mismo bajo cualquier condición.

De hecho, todos los fluidos son compresibles, algunos más que otros. La compresión de un fluido mide el cambio en el volumen de una cierta cantidad de líquido cuando se somete a una presión exterior. Por ejemplo, si se tapa la salida de una bomba de bicicleta y se empuja la bomba, vemos que podemos comprimir el aire que contiene. Sin embargo, si hacemos la misma experiencia con agua dentro, vemos que apenas podemos mover la bomba porque la compresibilidad del agua (y de cualquier líquido) es muy baja.

Por esta razón, para simplificar las ecuaciones de la mecánica de fluidos, se considera que los líquidos son incompresibles. En términos matemáticos, esto significa que la densidad de tal fluido se supone constante

Ramas y aplicaciones de la mecánica de fluidos

Ramas:

Estática de Fluidos

Es el estudio de la mecánica de fluidos en reposo, es decir, trata a los fluidos en el estado de equilibrio sin esfuerzo cortante.

Dinámica de Fluidos

Es el estudio de la mecánica de fluidos que trata de las relaciones entre velocidades y aceleraciones y las fuerzas ejercidas por o sobre fluidos en movimiento.

Cinemática

27

Es el estudio de la mecánica de fluidos que trata de las velocidades y las líneas de corriente sin considerar fuerzas y energías.

Aplicaciones

Medidores de orificios

La placa de orificio: Es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lámina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico o segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión

Venturímetros: Es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo, algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho en forma de cono. El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal.

Toberas: Es un dispositivo que convierte la energía potencial de un fluido (en forma térmica y de presión) en energía cinética. Como tal, es utilizado en turbomáquinas y otras máquinas, como inyectores (dispositivo utilizado para bombear fluidos). El aumento de velocidad que sufre el fluido en su recorrido a lo largo de la tobera es acompañado por una disminución de su presión y temperatura, al conservarse la energía.

Flujo de gas

Gases idealesy gases reales

Gases ideales:

28

Son aquellos gases en los que se puede llegar a considerar una energía potencial nula. Las interacciones entre las moléculas que componen un gas ideal son insignificantes, ya que la distancia entre las moléculas es lo suficientemente grande.

El modelo que describe este comportamiento es el dado por la ecuación:

P.V = n.R.T

Dónde:P: presiónV: volumenn: número de moles del gasR: constante de gases idealesT: temperatura

En este modelo se considera que los gases sólo poseen energía cinética, que está relacionada con el movimiento de las moléculas.

Gases reales:

Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presión se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presión muy alta, las propiedades de los gases reales se desvían en forma considerable de las de los gases ideales.

Trampas de agua

Medidores de codos

Perdida de carga total

Conclusión