2015

“UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN”

LOS FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES

CHANG VALLADARES JHON

CASTILLO ARANA KEVIN

LUCERO NICHO FRANK

NICHO ALVARADO JHON

VAZQUES VARILLAS JESUS

INGENIERIA CIVIL

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DEDICATORIA

El presente trabajo se ha elaborado en gratitud a nuestros

Padres de familia, familiares y amistades que nos apoyan

En nuestro crecimiento y desarrollo tanto profesional como

Personal siendo pieza fundamental en nuestras vidas

Es por ello que le dedicamos el presente trabajo

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INTRODUCCION

El objetivo de este presente trabajo es profundizar en los fluidos y sus propiedades tanto físicas como químicas. Se hace hincapié sobre todo en las propiedades de los fluidos, la presión, densidad y flujo. Los fluidos forman parte de nuestras vidas por ello hemos visto conveniente tratar sobre sus aplicaciones y comportamiento en la vida cotidiana. Se presentan problemas que ejemplifican las funciones y sus propiedades, su comportamiento y reacción frente a problemáticas. Se espera que quienes revisen este trabajo y posterior exposición puedan aprender en relación a los fluidos y sus propiedades y sea el comienzo para profundizar en el tema.

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INDICE

1. FLUIDO_______________________________________________________________4

Propiedades___________________________________________________________________4Densidad____________________________________________________________________________4Compresibilidad______________________________________________________________________5Viscosidad___________________________________________________________________________5Tensión superficial____________________________________________________________________6

Funcionalidad__________________________________________________________________7

2. SUPOSICIONES FUNDAMENTALES__________________________________________7

El fluido no es viscoso____________________________________________________________7

El fluido es laminar___________________________________________________________8

El fluido es incomprensible____________________________________________________9

El fluido es irrotacional________________________________________________________9

3. DENSIDAD DE UN CUERPO:__________________________________________9

Densidad relativa de un cuerpo_______________________________________________10

Densidad Relativa de algunos líquidos________________________________________12

4. PESO ESPECÍFICO__________________________________________________13

5. COHESIÓN__________________________________________________________14

6. ADHESIÓN__________________________________________________________15

7. CONVERSION DE UNIDADES_________________________________________16

Sistema internacional de unidades (SI)________________________________________16Prefijos del SI______________________________________________________________________16

Sistema Tradicional de Unidades de Estados Unidos___________________________17

Peso y Masa en el Si de Unidades____________________________________________19

Peso y Masa en el Sistema Tradicional de Unidades de Estados Unidos_________19

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1. FLUIDOUn fluido es una sustancia que puede fluir. Una definición más formal puede ser “un fluido es una sustancia que se deforma de manera constante cuando se le somete a un esfuerzo cortante, sin importar lo pequeño que sea dicho esfuerzo”. Es por esto que un fluido no puede resistir fuerzas de cizalla sin deformarse, mientras que un cuerpo sólido si puede hacerlo.

En los fluidos podemos diferenciar a:

Los líquidos; están sometidos a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de tal forma que su volumen es definido pero su forma no.

Los gases; constan de partículas que chocan unas con otras de manera caótica y tratan de dispersarse de tal modo que un gas no tiene volumen ni forma definida y llenará por completo cualquier recipiente en el cual se coloque.

Dentro de los elementos que se mantienen en discusión por ser un fluido o calificarlos como elementos plásticos podemos nombrar al vidrio y el asfalto, se dicen que estos fluyen pero a un ritmo demasiado lento siendo considerado por ello como sólidos.

Propiedades

DensidadEs 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. Para una masa dada, la presión, la temperatura y el volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases: pV = nRT, donde R es la constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta (grados Kelvin).

o Densidad AbsolutaMagnitud que expresa la relación entre masa y volumen de un material

Siendo   , la densidad; m, la masa; y V, el volumen de la sustancia.

o Densidad Relativa

Como su nombre lo dice, la densidad relativa es la relación entre su

densidad y la de otra sustancia en referencia, dando en este caso una

unidad adimensional.

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Donde   es la densidad relativa,   es la densidad de la sustancia, y   es

la densidad de referencia o absoluta.

Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del

agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas

condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m³, es

decir, 1 kg/dm³.

Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión

de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

Compresibilidad

Es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos

disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada

manteniendo constantes otros parámetros.

En el caso de los fluidos al haber diferenciado dos partes como son los líquidos y

los gases podemos decir que en el caso de los gases estos son bastantes

compresibles ya que existe un espacio de separación entre sus moléculas, y en

los líquidos existe cierta resistencia a la compresión, pero no son totalmente

incompresibles.

Viscosidad

La viscosidad es la oposición o resistencia de un fluido a las deformaciones

tangenciales, debida a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos

conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una

aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. Un fluido que no tiene

viscosidad se llama fluido ideal.

La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la

viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de

velocidad.

o Coeficiente de viscosidad dinámica

Designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m−1·s−1];

otras unidades:

1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

o Coeficiente de viscosidad cinemática:

Designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente

de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el

SI: [ν] = [m².s−1]. En el sistema cegesimal es el stokes —St—).

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Tensión superficialUna 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.

Propiedades físicas del agua

FuncionalidadLa funcionalidad se refiere a los usos que se le pueden dar a los fluidos teniendo en cuenta las propiedades que los caracterizan, podemos decir que sirven para transformar, controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de presión o de flujo.

En general, un fluido hidráulico tiene 4 funciones primarias:

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Transmitir potencia: a este fin todos los fluidos serían válidos (excepto los gases por ser compresibles), siempre que su viscosidad sea la adecuada a la aplicación. Para cumplir esta función el fluido deberá fluir fácilmente a través de los conductos internos de los componentes. Una resistencia excesiva a su circulación produciría considerables pérdidas de carga y consiguientemente un incremento en la potencia necesaria para el funcionamiento del equipo.

Lubricar las partes en movimiento: Esta es una de las principales misiones del fluido, y razón por la cual dejó de usarse agua para los circuitos hidráulicos.

La lubricación es la capacidad del fluido de formar una película sobre las superficies, y hacer que esta película facilite el desplazamiento de esta superficie sobre otras, evitando en lo posible el contacto directo entre estas.

Disipar calor o refrigerar: El fluido debe ser capaz de absorber el calor generado en determinados puntos del sistema para luego liberarlo al ambiente a través del depósito, manteniendo estable la temperatura del conjunto durante el normal funcionamiento del equipo.

Sellar los espacios libres entre elementos: Por ejemplo, el fluido hidráulico debe ubicarse entre los espacios existentes dentro del sistema cilindro-émbolo o pistón.

2. SUPOSICIONES FUNDAMENTALESEs posible hacer cuatro suposiciones para simplificar el análisis de los fluidos

El fluido no es viscosoSe desprecia la fricción interna.

Podemos observar que las líneas de corriente son simétricas respecto al eje x. El fluido a lo largo de la línea de corriente central se divide y fluye alrededor del cilindro una vez que ha incidido en el punto A. Este punto sobre el cilindro recibe el nombre de punto de estancamiento. Al igual que en el flujo sobre una placa plana, se desarrolla una capa límite en las cercanías de la pared sólida del cilindro. La distribución de velocidades fuera de la capa límite se puede determinar teniendo en cuenta el espaciamiento entre líneas de corriente.

Considérese momentáneamente el flujo incompresible alrededor del cilindro, suponiendo que se trate de un flujo no viscoso, como el mostrado en la figura 2-11b, este flujo resulta simétrico respecto tanto al eje x como al eje y. La velocidad alrededor del cilindro crece hasta un valor máximo en el punto D y después disminuye conforme nos movemos alrededor del cilindro. Para un flujo no viscoso, un incremento en la velocidad siempre va acompañado de una disminución en la presión, y viceversa. De esta manera, en el caso que nos ocupa, la presión sobre la superficie del cilindro disminuye conforme nos movemos del punto A al punto D y después se incrementa al pasar del punto D hasta el E. Puesto que el flujo es simétrico respecto a los dos ejes coordenados, es de esperarse que

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la distribución de presiones resulte también simétrica respecto a estos ejes. Este es, en efecto, el caso.

No existiendo esfuerzos cortantes en un flujo no viscoso. La simetría en la distribución de presiones conduce a la conclusión de que en un flujo no viscoso no existe una fuerza neta que actúe sobre un cilindro, ya sea en la dirección x o en la dirección y. La fuerza neta en la dirección x recibe el nombre de arrastre. Según lo anterior, se concluye que el arrastre para un cilindro en un flujo no viscoso es cero; esta conclusión evidentemente contradice nuestra experiencia, ya que sabemos que todos los cuerpos sumergidos en un flujo real experimentan algún arrastre. Al examinar el flujo no viscoso alrededor de un cuerpo hemos despreciado la presencia de la capa límite, en virtud de la definición de un flujo no viscoso.

El fluido es laminar

La velocidad en cada punto permanece constante algunos flujos son suaves y ordenados en tanto que otros son considerados caóticos. El movimiento intensamente ordenado de un fluido, caracterizado por capas no alteradas de éste se menciona como laminar

La palabra laminar proviene del movimiento de partículas juntas adyacentes del fluido, en “láminas”. El flujo de los fluidos intensamente viscosos, como los aceites a bajas velocidades, por lo general es laminar. El movimiento intensamente desordenado de un fluido, que es común se presente a velocidades altas y se caracteriza por fluctuaciones en la velocidad se llama turbulento

El fluido es incomprensible

La incomprensibilidad es una aproximación y se dice que el fluido es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el fluido. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el fluido es incomprensible.

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El fluido es irrotacional

El fluido no posea momento angular en ningún punto. Cuando el fluido no gira alrededor de su centro de masa.

Si al colocar un objeto en el interior de un fluido en movimiento, el objeto no rota o gira sobre su propio eje, el fluido es irrotacional. Un ejemplo de giro irrotacional se presenta al quitar el tapón de la tina del baño.

Cualquier objeto colocado ahí, acompaña al fluido en su movimiento, pero no gira sobre su propio eje

3. DENSIDAD DE UN CUERPO:

(ro) = masa por unidad de volumen = γꝬ  /g, lo que quiere decir que entre más masa tenga un cuerpo en un mismo volumen, mayor será su densidad.

En el sistema internacional (SI) la densidad del agua es 1.000 kg/m3 a 4°C

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La densidad es una propiedad que depende de la presión y la temperatura:

La variación de la densidad con (P, T) es menor para los sólidos que para los líquidos, y menor para los líquidos que para los gases.

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)

Densidad relativa de un cuerpo

La 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 como referencia. Los sólidos y líquidos se refieren al agua a 4°C , mientras que los gases se refieren al aire libre de CO2 e hidrogeno a 0°C y 1Atm de presión , como condiciones

normales, por ejemplo:

Densidad relativadeuna sustancia= peso de la sustanciapeso de igual volumen deagua

Densidad relativadeuna sustancia= peso especificode la sustanciapeso especificodel agua

Densidad relativadeuna sustancia=densidad de la sustanciadensidaddel agua

Así, si la densidad relativa de un aceite es 0.750 su peso específico será 0.750(1000 kg/

m3) =750kg/m3.

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La densidad relativa del agua es 1.00 y la del mercurio 13,57. La densidad relativa de una sustancia viene dada por el mismo número en cualquier sistema de unidades.

Densidad Relativa de algunos líquidos

Líquido D.R. T[°C]

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Agua dulce

Agua de mar

Petróleo bruto ligero

Petróleo bruto medio

Petróleo bruto pesado

Keroseno

Gasolina ordinaria

Aceite lubricante

Fuel-oil

Alcohol sin agua

Glicerina

Mercurio

1,00

1,02-1,03

0,86-0,88

0,88-0,90

0,92-0,93

0,79-0,82

0,70-0,75

0,89-0,92

0,89-0,94

0,79-0,80

1,26

13,6

4

4

15

15

15

15

15

15

15

15

0

0

4. PESO ESPECÍFICO

El peso específico (γ) de una sustancia es el peso de la unidad de volumen de dicha sustancia. En los líquidos γ puede considerarse constante para las variaciones ordinarias de presión. El peso específico del agua para las temperaturas más comunes es de 1000 kg/m3

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

pVt

=R (Leyes decharles y Boyle )

Donde “p” es la presión absoluta en Kg /m2

Donde “ V” es el volumen especifico o volumen ocupado por la unidad de peso en m3/Kg

Donde “T” es la temperatura absoluta en grados Kelvin (°K=°C+273)

Donde “R” es la constante del gas.

Como γ=1V

, la ecuación puede reescribirse:

γ= pRT

5. COHESIÓN 

La cohesión es la fuerza de atracción que mantiene unidas a las moléculas de una misma

sustancia.

La atracción molecular entre moléculas semejantes de un líquido recibe el nombre de

fuerza cohesiva. Ésta fuerza da origen a la cohesión, o sea, a la tendencia de un líquido a

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permanecer como un conjunto de partículas. La falta de fuerzas cohesivas  entre las

moléculas de un gas le permite llenar todo el recipiente donde se encuentre un gas

encerrado.

La cohesión es mayor en los sólidos que en los líquidos y en éstos es mayor que en los

gases. Por ejemplo debido a la  fuerza de cohesión, dos gotas de agua que se juntan se

unen para formar una sola, y lo mismo sucede con dos gotas de mercurio.

Si observas por las mañanas las hojas de las plantas de un jardín, notarás que el agua del

rocío se distribuye en pequeñas gotas y no de manera uniforme sobre la superficie de la

hoja. Esto ocurre debido a que actúan fuerzas de atracción entre las moléculas de agua

que no permiten que ésta se desparrame totalmente. Por ejemplo, las gotas que salen de

una llave, tienden a adoptar una forma esférica propia, debido a las fuerzas de cohesión,

pues cada molécula atrae en todas direcciones por igual a las moléculas que la rodean.

Pero sobre las moléculas de los líquidos no actúan solamente  las fuerzas de cohesión;

actúan, además, fuerzas de repulsión, que les impiden situarse demasiado cerca unas de

otras y,  también la gravedad actúa sobre ellas, obligando a las capas superiores del

líquido a resbalar sobre las inferiores, hasta alcanzar el mismo nivel en la superficie.

6. ADHESIÓN

Es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias

diferentes que se ponen en contacto; generalmente un líquido con un sólido.

Generalmente las sustancias líquidas, se adhieren a los cuerpos sólidos. Cuando se

La cohesión es la causa de que el agua forme gotas, la tensión

superficial hace que se mantengan esféricas y la

adhesión las mantiene en su sitio

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presenta el fenómeno de adherencia significa que la fuerza de adhesión entre las

moléculas de una misma sustancia es mayor que la fuerza de cohesión que

experimentan con otra sustancia distinta, con la cual tienen contacto. Tal es el caso del

agua que se adhiere al vidrio, la pintura al adherirse a un muro, el aceite al adherirse al

papel, o la tinta a un cuaderno. Cohesión y adherencia. Al juntar un líquido con un sólido

tendremos como resultado que en la superficie de contacto existen dos fuerzas de

tendencia opuesta. Por un lado, la fuerza de cohesión que tenderá a mantener las

moléculas del líquido juntas, y por el otro, las fuerzas de adhesión que tenderán a unir las

moléculas del sólido con las del líquido, y por lo tanto a dividir al líquido. Según sean los

valores de estas fuerzas se obtienen diferentes resultados: si la adherencia es mayor

que la cohesión, el líquido se distribuye sobre la superficie del sólido, y se dice que lo

moja. Se trata de una propiedad importante de los “adherentes”

Si por el contrario, la cohesión es mayor que la adherencia el líquido tenderá a mantener

su forma y una superficie mínima de contacto con el sólido por lo que no lo mojará. El que

suceda una cosa u otra depende de las características del líquido y del sólido. Por

ejemplo, cuando hay agua sobre papel encerado se forman pequeñas gotas, pero cuando

hay agua sobre cartulina, esta se moja. La diferencia está dada por las características del

sólido.

Pero puede suceder que el líquido sea el que determine el resultado final de la

interacción con el sólido. Si ponemos agua sobre la superficie de un vidrio, el agua se

desparrama sobre el vidrio, y por lo tanto lo mojará, pero si ponemos mercurio sobre el

vidrio, éste conservará su forma de gota, aunque la gota esté aplastada debido a su

propio peso.

7. CONVERSION DE UNIDADES

Unas gotas de agua adhiriéndose a la telaraña

El mortero usado para mantener y sostener juntos los ladrillos es un ejemplo

de adhesión

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Sistema internacional de unidades (SI)En cualquier trabajo técnico deben establecerse las unidades en que se miden las propiedades físicas. Un sistema de unidades especifica las unidades de las cantidades fundamentales de longitud, tiempo, fuerza y masa. Las unidades de otros términos se derivan de estas.

La referencia definitiva para el uso estándar de las unidades métricas en todo el mundo es el Sistema Internacional de Unidades (Systeme International d’Unites), conocido por su abreviatura SI. En los Estados Unidos, el estándar se presenta en la publicación del National Institute System of Units (SI). Editada por Barry N. Taylor en el 2001.

Las unidades del SI para las cantidades básicas son las siguientes:

Longitud = metro (m)

Tiempo = segundo (s)

Masa = kilogramo (kg) o N.s2 / m

Fuerza = Newton (N) o kg.m/s2

Como se indica, una unidad equivalente para la fuerza es el kg.m/s2. Esta se obtiene de la relación fuerza y masa.

F= m.a

Prefijos del SI

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Sistema Tradicional de Unidades de Estados Unidos El sistema tradicional de unidades de Estados Unidos, a veces llamado Sistema gravitacional de unidades inglesas o sistema libra-pie-segundo, define unidades fundamentales así:

Longitud = pie (pie)

Tiempo = segundo (s)

Masa = libra (lb)

Fuerza = slug o lb.s2/pie

Es probable que de estas, la unidad más difícil de entender sea el slug, debido a que estamos familiarizados con la medición en términos de libras, segundos y pies. Tal vez nos ayude observar la relación que existe entre fuerza y masa,

F= m.a

Donde a es la aceleración expresada en unidades de pies/s2. Por tanto, la unidad derivada para la masa es:

m = Fa

= lb . s2

pies /s2 = lb . s2

pie = slug

Esto significa que para la unidad e masa se puede utilizar tanto los slugs como las lb.s2/pie. De hecho, algunos cálculos requieren que seamos capaces de manejar ambas unidades.

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Peso y Masa en el Si de UnidadesEl peso es una fuerza y la masa es la cantidad de una sustancia. Ambos términos se relacionan por medio de la aplicación de la ley de la gravitación de Newton, que dice que la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración, es decir,

F= m.a

Hablar del peso, implica que la aceleración es igual a g, que es la aceleración de la gravedad. Entonces, la ley de Newton se transforma en:

w = mg

Por ejemplo, considere una roca con una masa de 5.60 kg suspendida de una alambre. Para determinar la fuerza que se ejerce sobre el alambre se usa la ley de la gravitación de Newton (w = mg)

w = mg = masa X la aceleración de la gravedad

Como en condiciones estándar g = 9.81 m/s2, tenemos

w = 5.60 kg X 9.81 m/s2 = 54.9 kg.m/s2 = 54.9 N

Así, 5.60 kg de la roca pesan 54.9N

También se puede calcular la masa de un objeto si se conoce su peso. Por ejemplo, suponga que se midió el peso de una válvula y resulto ser de 8.25 N. ¿Cuál es su masa? Tenemos:

w = mg

m = wg= 8.25N9.81m /s2

=0.841N .s2

m=0.841kg

Peso y Masa en el Sistema Tradicional de Unidades de Estados UnidosLa relación entre el peso y la masa en el Sistema Tradicional de Unidades de Estados Unidos se ilustrara con el siguiente ejemplo: supongamos que medimos el peso de un contenedor de aceite y resulto ser de 84.6lb. ¿Cuál es su masa? Se tiene.

w = mg

m = wg= 84 .6 lb32.2 pies /s2

=2 .63 lb . s2

pie=2 .63 slug

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Bibliografía

http://www.academia.edu/8536926/Mec%C3%A1nica_de_fluidos._Fundamentos_y_Aplicaciones_Cengel_1ra

MATAIX, Claudio. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. 2 ed. México: Harla, 1982. 660

MUNSON Bruce. YOUNG Donald. OKIISHI Theodore. “Fundamentos de Mecánica de Fluidos”. Editorial Limusa Wiley.1999

MOTT, Robert. “Mecánica de Fluidos Aplicada”. Cuarta Edición. Prentice Hall. 1996. http://fisicaibtcarlos.blogspot.pe/2011/01/mecanica-de-fluidos.html http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/cohesi

%C3%B3n/cohesi%C3%B3n.htm