LA MECANICA DE FLUIDOS

1.1 INTRODUCCION

La mecánica es la ciencia física más antigua que trata tanto de los cuerpos en reposo así como de aquellos en movimiento bajo la influencia de fuerzas.

La rama de la mecánica que trata los cuerpos en reposo se llama estática y la que trata de los cuerpos en movimiento se llama dinámica.

La mecánica de fluidos estudia el comportamiento de los fluidos en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos), y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.

También se menciona a la mecánica de fluidos como dinámica de fluidos al considerar a los fluidos en reposo como un caso especial con velocidad cero.

La mecánica de fluidos también se divide en varias categorías.

El estudio de movimiento de fluidos que son prácticamente incomprensibles (como los líquidos, en especial el agua y los gases a bajas velocidades) suele mencionarse como hidrodinámica.

La HIDRÁULICA es una subcategoría que estudia los flujos de líquidos en tubos y canales abiertos.

La DINÁMICA de gases trata del flujo de fluidos que sufren cambios significativos en la densidad, como el flujo de gases a través de toberas a altas velocidades.

La categoría AERODINÁMICA se ocupa del flujo de gases (en especial del aire) sobre los cuerpos como aviones, cohetes y automóviles a altas o bajas velocidades.

¿QUE ES FLUIDO?

Un fluido es una sustancia en estado líquido o gaseoso, siendo diferenciado de un sólido por la deformación de manera continua bajo la influencia de un esfuerzo cortante.

Quiere decir su capacidad a oponer resistencia a un esfuerzo cortante.

1.2 LA CONDICION DE NO DESLIZAMIENTO

Se conoce a la característica que tiene un fluido cuando está en contacto directo con un sólido.

“Se pega” a la superficie debido a los efectos viscosos y no hay desplazamiento.

Al pegarse la capa desacelera a la capa siguiente de fluido debido a las fuerzas viscosas entre las capas de ese fluido.

Por lo tanto la condición de no desplazamiento es responsable del desarrollo del perfil de velocidad.

La región del fluido próximo a la pared, en la cual los efectos viscosos (y por consiguiente, los gradientes de velocidades) son significativos se llama capa limite.

1.3 BREVE HISTORIA DE LA MECANICA DE FLUIDOS

Uno de los primeros problemas ingenieriles que afronto la humanidad fue la del suministro de agua a medida que las ciudades iban en aumento.

Pergamón (283-133 a.C. – ciudad, actual Turquía)

Se construyeron una serie de tuberías de plomo y arcilla hasta de 45 km de largo que operaban a presiones que sobrepasaban los 1.7 MPa.

Arquímedes (285-212 a.C.)

Formulo y aplico el principio de la flotación en la primera prueba no- destructiva de la historia, para determinar el contenido de oro en la corona del rey Herón I.

Durante la Edad Media, el conocimiento y aplicación de la mecánica de fluidos avanzo con lentitud, pero paulatinamente.

Se diseñaron elegantes bombas de embolo para desaguar las minas, se perfeccionaron la rueda hidráulica y el molino de viento para moler granos, forjar metal y otras tareas más.

De todas ellas se desconoce el creador pero fueron documentados adecuadamente por varios escritores técnicos como Georgius Agrícola.

Durante el renacimiento, se desarrolló sistemas y maquinas con base en los fluidos pero, lo que es más importante, se perfecciono el método científico y se adoptó en toda Europa.

Simón Stevin (1548-1617)

Galileo Galilei (1564-1642)

Edme Mariotte (1620-1684)

Evangelista Torricelli (1608-1647)

Todos ellos estuvieron entre los primeros en aplicar el método a los fluidos a medida que investigaban las distribuciones de la presión hidrostática y los vacíos.

Blaise Pascal (1623-1762) refino el trabajo.

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Benedetto Castelli (1577-1644) publico el enunciado del principio de continuidad para los fluidos.

Sir Isaac Newton (1643-1727) con sus ecuaciones del movimiento para los sólidos aplico sus leyes a los fluidos y examino la inercia y la resistencia de estos, los chorros libres y la viscosidad.

1.4 MEDIO CONTINUO

La hipótesis del medio continuo es la hipótesis fundamental de la mecánica de fluidos y en general de toda la mecánica de medios continuos.

En esta hipótesis se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con esta hipótesis se puede considerar que las propiedades del fluido (densidad, temperatura, etc.) son funciones continuas.

La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en comparar el camino libre medio de las moléculas con la longitud característica del sistema físico. Al cociente entre estas longitudes se le denomina número de Knudsen.

Cuando este número adimensional es mucho menor a la unidad, el material en cuestión puede considerarse un fluido (medio continuo). En el caso contrario los efectos debidos a la naturaleza molecular de la materia no pueden ser despreciados y debe utilizarse la mecánica estadística para predecir el comportamiento de la materia. Ejemplos de situaciones donde la hipótesis del medio continuo no es válida pueden encontrarse en el estudio de los plasmas.

1.5 OJBETO DE LA MECANICA DE FLUIDOS

La mecánica de fluidos es la parte de la mecánica que estudia las leyes del comportamiento de los fluidos en equilibrio, hidrostática, y en movimiento, hidrodinámica.

1.6 APLICACIONES DE LA MECANICA DE FLUIDOS

Los fluidos:

El Agua

Sin el estudio de esta no tendríamos Oceanografía, ingeniería naval, canalizaciones y conducciones hidráulicas, estructuras hidráulicas, aprovechamiento de la energía hidráulica, estaciones de bombeo, etc.

El Aire

Sin el estudio del este es imposible la aeronáutica, meteorología, refrigeración y aire acondicionado, control y transmisión neumática, aire comprimido, etc.

Combustibles

Sin el estudio de estos no tendríamos motores térmicos, lubricantes, refrigerantes fluidos, etc.

1.7 APLICACIONES ESPECÍFICAS DE LA MECANICA DE FLUIDOS

Máquina de fluido

En los motores se transforma la energía de un fluido en energía mecánica en el eje, para producir por ejemplo, mediante un generador acoplado, energía eléctrica.

Así en una central hidroeléctrica, una turbina hidráulica transforma la energía de posición del agua en energía eléctrica, y en una central térmica una turbina de vapor, transforma la energía del vapor producido en una caldera por la combustión de otro fluido combustible en energía eléctrica.

Redes de Distribución

Las redes de distribución tiene por objetivo la llegada de los fluidos a los puntos de consumo (viviendas, gasolineras, estaciones de servicio, fabricas).

Regulación de las maquinas

La regulación hidráulica o electrohidráulica de las turbinas hidráulicas y de vapor en las centrales hidroeléctricas y térmicas, la regulación de múltiples procesos industriales, etc., es otro campo relacionado con la Mecánica de Fluidos.

Transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos

La hidráulica y neumática industriales, se ocupan del diseño y funcionamiento de los sistemas hidráulicos, servomotores, etc., que el automatismo utiliza junto con los controles electrónicos, etc.

La automatización de las maquinas herramientas, de cadenas de máquinas y de fábricas enteras emplea multitud de válvulas de variadísimas clases, de cilindros y motores rotativos, filtros, etc., de aceites y de aire, así como sistemas completos, cuyo diseño, estabilidad y control constituyen hoy día una aplicación muy importante de la mecánica de fluidos.

Acoplamiento y cambio de marchas continuo

El acoplamiento sin tirones en los autobuses urbanos, la transmisión automática de instalación frecuente en los coches, el accionamiento a velocidad regulable de ventiladores, bombas y compresores, en una palabra, la solución fluida de los problemas de embrague y cambio de marchas, constituye una aplicación interesante de la hidrodinámica.

Fluídica

Ha desarrollado componentes neumáticos, elementos sensitivos de presión, temperatura, etc., amplificadores y elementos lógicos, de múltiples aplicaciones, por ejemplo, en las maquinas herramientas.

Astronáutica

Con motores para la navegación espacial (cohetes de combustible sólido y liquido) y mecanismos de control y dirección (cohetes de dirección).

1.8 APORTACIONES DE PERSONAJES CELEBRES A LA HIDRAULICA