1.Introducción.

La Mecánica de Fluidos es la rama de la ciencia que estudia el equilibrio y el

movimiento de los fluidos, esto es, líquidos y gases. En los fluidos, puede

producirse un movimiento relativo de las moléculas u átomos que forma parte de

la estructura interna tanto en movimiento como en reposo, situación que no se

produce nunca en los sólidos.

Esta investigación está concentrada en la viscosidad de los fluidos, y su

comportamiento así como el módulo volumétrico y la tensión superficial que es

una característica propia del fluido.

La mecánica de fluidos está presente en nuestra vida cotidiana solo falta verla de

manera cuantitativa y expresada en términos científicos.

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2.Objetivo General.

Adquirir los conocimientos relacionados a los temas a tratar, así como el

comportamiento de cada uno de los tipos de fluidos mencionados, sus

propiedades y principales características.

2.1. Objetivos específicos.

o Comprender los conceptos de fluidos newtonianos y no

newtonianos así como sus comportamientos y como

diferenciarlos.

o Entender la tensión superficial como una propiedad de los

fluidos.

o Tener el conocimiento sobre lo que es el módulo volumétrico y

como aplicarlo

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3.Justificación.

Esta investigación se realizó con la finalidad de comprender de manera

más precisa los conceptos de fluidos, englobando lo que es, sus

propiedades, diferentes tipos como son, newtoniano y no newtoniano, así

como su clasificación.

El adquirir estos conocimientos nos ayudara a resolver problemas que se

nos presenten durante el transcurso de la materia, y algunas otras materias

a futuro relacionadas.

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4.Desarrollo Teórico.

4.1. Fluido

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le somete a

un esfuerzo cortante, sin importar lo pequeño que sea dicho esfuerzo”. Así, un

fluido es incapaz de resistir fuerzas o esfuerzos de cizalla sin desplazarse,

mientras que un sólido sí puede hacerlo.

El término fluido incluye a gases y líquidos. Hay fluidos que fluyen tan lentamente

que se pueden considerar sólidos (vidrio de las ventanas o el asfalto). Un líquido

está sometido a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de tal forma que

su volumen es definido pero su forma no. Un gas, por otra parte, consta de

partículas en movimiento que chocan unas con otras y tratan de dispersarse de tal

modo que un gas no tiene forma ni volumen definidos y llenará completamente

cualquier recipiente en el cual se coloque.

4.1.1. Propiedades

o Densidad:

Es la medida del grado de compactación de un material. Para un

fluido homogéneo se define como la masa por unidad de volumen y

depende de factores tales como su temperatura y la presión a la que está

sometido.

Sus unidades en el SI son:

kg/m3

Los líquidos son ligeramente compresibles y su densidad varía poco con

la temperatura o la presión.

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Para una masa dada, la presión, la temperatura y el volumen que ocupa se

relacionan por medio de la ley de los gases:

pV = mRT

donde R es la constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta

(grados Kelvin).

o Compresibilidad:

En la mayoría de los casos, un líquido se podría considerar

incompresible, pero cuando la presión cambia bruscamente, la

compresibilidad se hace evidente e importante. Lo mismo ocurre si hay

cambios importantes de temperatura. La compresibilidad se expresa

mediante el módulo elástico de compresión.

o Tensión superficial:

Una molécula dentro del líquido es atraída en todas direcciones por

otras moléculas mediante fuerzas cohesivas.

Cuando un líquido está en contacto con algún otro medio (aire, otro líquido,

un sólido) se forma una superficie de contacto entre el líquido y el otro

medio.

Dentro del líquido, y lejos de su superficie de contacto, una molécula se

encuentra en equilibrio: la suma de las fuerzas de atracción es cero. Sin

embargo, en la superficie de contacto, la suma de estas fuerzas tiene como

resultante una fuerza neta, perpendicular a la superficie y con sentido hacia

el interior del líquido.

Esta fuerza hacia el interior hace que la superficie de contacto se comporte

como una membrana. Una de las consecuencias de la tensión superficial

es la capilaridad.

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4.2. Viscosidad.

Es una propiedad de los fluidos que se manifiesta por la resistencia que ofrece al

desplazamiento relativo de sus partículas como resultado de la actividad

molecular.

Un estrato líquido que se desplaza con respecto a otro contiguo con velocidad

distinta, da lugar a una resistencia originada en el intercambio molecular que se

establece entre sus partículas; ello determina una masa en movimiento

parcialmente transversal, la correspondiente cantidad de movimiento da origen a

la fuerza de resistencia denominada viscosidad dinámica o absoluta µ.

La temperatura es una variable que tiene mucha influencia sobre la viscosidad y

sus efectos son muy diferentes tanto en los gases y en los líquidos.

A medida que aumenta la temperatura en un gas, también aumenta la viscosidad,

ya que hay una mayor actividad del intercambio molecular. La variación de

presión tiene poco influencia en dicha fuerza de resistencia, a menos que sea un

valor muy alto.

En los líquidos, además del intercambio molecular también interviene el efecto de

cohesión debido a la atracción molecular, el aumento de la temperatura además

de generar una mayor actividad molecular, disminuye el trabajo unitario de

cohesión. En el agua, el trabajo unitario de cohesión prevalece sobre el efecto de

actividad molecular entre las partículas próximas, dando como resultado que los

valores de viscosidad absoluta aumentan con la disminución de la temperatura.

En las partículas en reposo, el efecto de viscosidad no se manifiesta, en cambio

en movimiento, las partículas de los líquidos reales originan fuerzas tangenciales

unitarias que sumadas a las presiones dan componentes que son normales al

elemento de superficie.

Las comprobaciones experimentales confirman las siguientes hipótesis de Meyer

y Newton:

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a) Las partículas de una masa líquida en inmediato contacto con una pared sólida

y rígida, no poseen movimiento relativo. Es decir si la pared está en reposo, las

partículas también lo están y si la pared está en movimiento con velocidad V, las

partículas estarán en movimiento con la misma velocidad.

b) La fuerza de corte por unidad de superficie τ, es proporcional al gradiente

transversal de velocidades. El factor de proporcionalidad es la viscosidad absoluta

ó dinámica ( µ ).

La fuerza que se ejerce tangencialmente, la cual se opone al desplazamiento de

los estratos contiguos con distintas velocidades, genera un rozamiento que

entorpece el movimiento, por lo tanto una cantidad de energía se transforma en

calor que se disipa, lo que es equivalente a una pérdida de energía.

4.3. Fluido Newtoniano

Un fluido Newtoniano, también llamado fluido verdadero es aquel que, sometido a

un esfuerzo tangencial o cortante, se deforma con una velocidad que es

proporcional directamente al esfuerzo aplicado.

Dicho de otra forma: si se aplica un esfuerzo tangencial a un fluido newtoniano,

este se pondrá en movimiento sin importar cuán pequeño sea el esfuerzo

tangencial y se generará una cierta distribución de velocidad en el fluido. Ese

esfuerzo tangencial y el gradiente de velocidad que se produce serán

directamente proporcionales, a la constante de proporcionalidad se la define como

viscosidad.

Los fluidos más comunes tales como el agua, el aire y la gasolina son

newtonianos en condiciones normales.

Así, se denominan fluidos newtonianos a aquellos en los que la viscosidad es

inherente a la naturaleza fisicoquímica de los mismos, y por tanto independiente

del esfuerzo cortante aplicado. De esta forma, la viscosidad es una constante en

la ley de Newton de la viscosidad. La viscosidad de los fluidos newtonianos

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variará en función de su presión y temperatura, siendo sus unidades en el SI de

Pa·s, aunque es frecuente utilizar la unidad del sistema CGS, el poise.

Son newtonianos la mayoría de los líquidos con estructura química simple y la

totalidad de los gases.

4.3.1. Ecuación constitutiva

Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido

newtoniano se puede representar por la relación:

Donde:

Es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre una

superficie sólida en contacto con el mismo [Pa].

Es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo de la

temperatura. [Pa·s] o [kp·s/cm2].

  Es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano en el que

estamos calculando la tensión tangencial, [s−1].

La ecuación constitutiva que relaciona el tensor tensión , el gradiente de

velocidad y la presión en un fluido newtoniano es simplemente:

4.4. Fluido No Newtoniano

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Los fluidos en los cuales el esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la

relación de deformación son no newtonianos.

Por lo común, los fluidos no newtonianos se clasifican con respecto a su

comportamiento en el tiempo, es decir, pueden ser dependientes del tiempo o

independientes del mismo.

4.4.1 Fluidos no newtonianos independientes del tiempo

Un gran número de ecuaciones empíricas se han propuesto para modelar las

relaciones observadas entre Tyx y dv/dy para fluidos independientes del tiempo.

Pueden representarse de manera adecuada para muchas aplicaciones de la

ingeniería mediante un modelo de la ley de potencia, el cual se convierte para un

flujo unidimensional en:

donde:

El exponente n se llama índice de comportamiento del flujo y K es el índice de

consistencia. Ambos se determinan experimentalmente

Esta ecuación se reduce a la ley de viscosidad de newton para n = 1 y k = μ.

Si la ecuación anterior se rescribe de la forma:

y haciendo

nos queda:

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donde n se determina viscosidad aparente.

o Fluidos seudoplásticos

Los fluidos en los cuales la viscosidad aparente disminuye con el aumento

de la relación de deformación (n < 1) se llaman seudoplásticos. Casi todos

los fluidos no newtonianos entran en este grupo; los ejemplos incluyen

soluciones poliméricas, suspensiones coloidales y pulpa de papel en agua.

o Fluidos dilatantes

Si la viscosidad aparente aumenta con el incremento de la relación de

deformación (n > 1) el fluido se nombra dilatante.

Ejemplo: Suspensiones de almidón, suspensiones de arena.

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o Fluidos plásticos de Bingham o ideal

El fluido que se comporta como un sólido hasta que se excede un esfuerzo

de deformación mínimo ty y exhibe subsecuentemente una relación lineal

entre el esfuerzo y la relación de deformación se conoce como plástico de

Bingham o ideal. Ejemplo: Las suspensiones de arcilla, lodos de

perforación, pasta de dientes.

4.5. Módulo Volumétrico

El módulo de compresibilidad ( ) de un material mide su resistencia a la

compresión uniforme y, por tanto, indica el aumento de presión requerido para

causar una disminución unitaria de volumen dada.

El módulo de compresibilidad   se define según la ecuación:

donde   es la presión,   es el volumen,   y   denotan los cambios de la

presión y de volumen, respectivamente. El módulo de compresibilidad tiene

dimensiones de presión, por lo que se expresa en pascales (Pa) en el Sistema

Internacional.

El inverso del módulo de compresibilidad indica la compresibilidad de un material y

se denomina coeficiente de compresibilidad.

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[Fig.4.5] Ilustración de compresibilidad uniforme

4.6. Tensión Superficial

La tensión superficial puede definirse como la fuerza que ejerce un líquido sobre

una determinada superficie debido a la existencia de una atracción no

compensada hacia el interior del mismo sobre las moléculas individuales de la

superficie. Es la forma en que se refleja la cohesión entre moléculas en un líquido.

La tensión superficial depende de la naturaleza del mismo, del medio que le rodea

y de la temperatura. En general, disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas

de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio

exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas

sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las

acciones de las moléculas del líquido.

Ahora vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de

interacción sobre una molécula que se encuentra en:

· A, el interior del líquido

· B, en las proximidades de la superficie

· C, en la superficie

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[Fig.4.6] Representación de una molécula en diferentes partes del líquido

En el caso A, la molécula considerada (punto rojo) se encuentra en el seno de un

líquido en equilibrio. La resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de

las moléculas (en color amarillo) que la rodean, será nula.

En el caso B, la molécula cuestión estará sometida a una fuerza resultante

dirigida hacia el interior del líquido.

En el caso C, la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso

B.

Las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades

de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior

del líquido.

Como todo sistema mecánico tiende a cumplir la ley del menor esfuerzo. Según

esta ley, los procesos en la naturaleza se realizan de forma tal que siempre exista

un mínimo de alguna cantidad física.

Otras manifestaciones de tensión superficial incluyen el exceso de presión (en y

sobre la presión atmosférica) creando dentro de pequeñas gotas y burbujas, la

transformación de un chorro de líquido en pequeñas gotas, y la unión en su

conjunto de material granulado húmedo, como es el caso de tierra arenosa fina.

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5.Conclusiones.

o Debido al comportamiento que tienen algunos fluidos, se hace interesante su estudio, sobre todo a nivel experimental, teniendo en cuenta que dicha sustancia posee ciertas propiedades tales como viscosidad y densidad, las cuales las cuales juegan papeles principales en flujos de canales abiertos y cerrados y en flujos alrededor de objetos sumergidos.

o La viscosidad como una propiedad del fluido es función exclusiva de la conducción

o Los fluidos no newtonianos no corresponden a la segunda ley de newton de la viscosidad y pueden ser clasificados con relación a su comportamiento en el tiempo.

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6.Referencias.

http://oceanologia.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/LAB/Propiedades_Fluidos.pdf

http://www.fi.uba.ar/archivos/institutos_propiedades_fisicas_fluidos.pdf

http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/3623/1/tema2RUA.pdf

http://www2.ib.edu.ar/becaib/cd-ib/trabajos/Morales.pdf

https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/juansqui/superficiesweb.html

http://www.astro.ugto.mx/~papaqui/ondasyfluidos/Tema_2.03Tension_Superficial.pdf

Introduccion a la mecánica de fluidos. Carlos Arturo Duarte Agudelo. 1ª Edicion

Mecánica de Fluidos. Victor Streeter 9na Edición.

Mecánica de Fluidos. James A. Fay 1ra Edición en español.

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7.Anexos.

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