Definición de fluido. Clasificación de los fluidos. Antecedentes históricos. Importancia del estudio de la Mecánica de Fluidos. Unidades básicas. Sistemas de




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  1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES:


Definición de fluido. Clasificación de los fluidos. Antecedentes históricos. Importancia del estudio de la Mecánica de Fluidos. Unidades básicas. Sistemas de referencia. Propiedades de los fluidos relacionadas con la masa o el peso. Conductividad térmica. Viscosidad elástica. Tensión superficial. Presión de vapor.


    1. Mecánica de fluidos:


La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo.


    1. Medio continuo:


Se entiende por medio continuo un conjunto infinito de partículas (que forman parte, por ejemplo, de un sólido, de un fluido o de un gas) que va a ser estudiado macroscópicamente, es decir, sin considerar las posibles discontinuidades existentes en el nivel microscópico (nivel atómico o molecular). En consecuencia, se admite que no hay discontinuidades entre las partículas y que la descripción matemática de este medio y de sus propiedades se puede realizar mediante funciones continuas.


    1. Reseña histórica:


El deseo de los hombres por adquirir conocimientos acerca de los fenómenos de los fluidos, tuvo sus comienzos al tratar de resolver los problemas de abastecer sus poblaciones de agua, de irrigar sus campos de cultivo, con la navegación, y la derivación de energía de las corrientes de agua.
Con conocimientos muy rudimentarios, desde tiempos muy remotos ya tanto en Mesopotamia como en Egipto alrededor del año 4000 A.C. se construyeron pozos, canales y ruedas hidráulicas que aseguraban el regadío de vastas zonas, destacándose los jardines colgantes de Babilonia y el aprovechamiento de zonas de riego en las riberas del río Nilo.
Durante el imperio romano (29 A.C. – 395 D.C.) se construyeron canales para el abastecimiento y distribución del agua a la población, así como también la construcción de redes para la eliminación de las aguas servidas.

Sin embargo, con excepción de Arquímedes (287 – 212 A.C.), quien crea el tornillo helicoidal y enuncia el principio de flotación, es de muy escaso valor la contribución de esa época, a nuestro conocimiento actual.
Desde la caída de Roma (476 D.C.) hasta el Renacimiento (Siglos XV y XVI), no hubo ningún progreso, ni en la construcción de obras, ni en el pensamiento científico que se reflejara en la hidráulica actual. Así en realidad esta ciencia se inicia de nuevo con los diseños de Leonardo da Vinci (1452 – 1519), quien entre otras cosas, estudio el vuelo de las aves, muestra la aparición de vórtices (flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas) en la zona de separación del flujo y construyó un canal con exclusas en Milán.
Después del tiempo de Leonardo, la acumulación de conocimientos hidráulicos, se hace cada vez mayor, especialmente con los aportes de Galileo, Torricelli, Mariotte, Pascal, Newton, Pitot, Bernoulli, Euler y D’Alembert.
A pesar de que las teorías propuestas por estos hombres de ciencia se podrían confirmar aproximadamente por experimentos rudimentarios, las muchas divergencias entre teoría y realidad hicieron decir a D’Alembert (1717 – 1783): “La teoría de los fluidos necesariamente, se debe basar en experimentos”:
Este conflicto entre en teoría y experimentación dio origen a dos corrientes en el estudio de los fluidos: una que trata del aspecto teórico en el estudio de los fluidos y crea una ciencia esencialmente matemática, alrededor de un fluido ideal; y la segunda, que se interesaba en los aspectos prácticos y de aplicación inmediata a los problemas de Ingeniería, y cuyo método era la experimentación. La primera dio lugar a la Ciencia Matemática Llamada Hidrodinámica; y la segunda a una ciencia práctica , la Hidráulica. Esta última estudio primordialmente el agua, de allí su nombre.
Hasta fines del siglo XIX, se encuentran investigadores muy notables en ambas corrientes, así, para mencionar sólo algunos se encuentran Euler, D’Alembert, Navier, Saint Venant, Stokes, Rankine, Kelvin y Lamb, en el primer grupo, y a Chezy, Borda, Coulomb, Venturi, Prony, Hagen, Poiseville, Darcy, Bazin, Weishach, Ganguillet, Kutter, Manning, Reynolds y Francisen el segundo.
Ya hacia finales del siglo XIX, el surgimiento de nuevas industrias, especialmente de procesos químicos, que necesitaban información acerca de otros fluidos, además del agua, hizo necesario la investigación generalizada para evitar la gran multiplicidad de fórmulas de aplicación muy limitada. Esto, junto con el desarrollo de la Aeronautica y los nuevos avances en el estudio de los fluidos dieron lugar a un nuevo acercamiento entre la corriente teórica y la práctica, fusionando elementos de ambas para dar lugar a la ciencia que actualmente se denomina Mecánica de los Fluidos y que trata de eliminar en lo posible el empirismo de la Hidráulica y a través de la teoría generalizar lo más posible para que las conclusiones no sólo sean aplicables dentro de los límites de los experimentos realizados.
Esta situación de fusión y complemento entre análisis teórico e investigación experimental, originó durante el siglo pasado resultados tan beneficiosos y útiles que el avance y crecimiento de la Mecánica de los Fluidos es cada vez mayor.


    1. Definición de fluido:


Se denomina así al sistema de partículas que, a diferencia de los sólidos, no están unidas rígidamente y pueden moverse con una cierta libertad unas respecto de las otras.

Esto le permite ceder ante cualquier fuerza tendiente a alterar su forma, con lo que fluye adaptándose a la del recipiente.
A diferencia de los sólidos que pueden soportar que se les aplique una fuerza sin que cambien apreciablemente su forma, los líquidos pueden soportar acción de una fuerza únicamente en una superficie o frontera cerrada. Si el fluido no está restringido en su movimiento, empezará a fluir bajo el efecto del esfuerzo cortante, en lugar de deformarse elásticamente.


    1. Características de los fluidos:




  • La posición relativa de sus moléculas puede cambiar continuamente.




  • Todos los fluidos son compresibles en cierto grado




  • Tienen viscosidad




  • Dependiendo de su viscosidad fluyen a mayor o menor velocidad. Mientras más viscoso es un fluido, fluye con menor velocidad; mientras menos viscoso, fluye con mayor velocidad.




  • Su viscosidad esta en relación con la densidad del fluido.

    1. Clasificación de los fluidos:


Ley de Newton de la viscosidad o Ley de rozamiento:
“Para un determinado fluido, la tensión tangencial de rozamiento aplicada según una dirección es directamente proporcional a la velocidad (en módulo) en la dirección normal a la primera, siendo la constante de proporcionalidad correspondiente el coeficiente de viscosidad".
Los fluidos se pueden clasificar según la relación que existe entre el esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante, en:


  • Newtonianos:


Aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación se denominan fluidos newtonianos. La mayor parte de los fluidos comunes como el agua, el aire, y la gasolina son prácticamente newtonianos bajo condiciones normales.


  • No newtonianos:


El término “no newtoniano” se utiliza para clasificar todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es directamente proporcional a la rapidez de deformación.
Numerosos fluidos comunes tienen un comportamiento no newtoniano. Dos ejemplos muy caros son la crema dental y la pintura. Esta última es muy espesa cuando se encuentra en su recipiente, pero se adelgaza cuando si se extiende con una brocha. De este modo, se toma una gran cantidad de pintura para no repetir la operación muchas veces. La crema dental se comporta como un "fluido" cuando se presiona el tubo contenedor. Sin embargo, no fluye por sí misma cuando se deja abierto el recipiente. Existe un esfuerzo limite, de cedencia, por debajo del cual la crema dental se comporta como un sólido. En rigor, nuestra definición de fluido es válida únicamente para aquellos materiales que tienen un valor cero para este esfuerzo de cedencia.



  • Gráfico: Clasificación de los fluidos:





    1. Importancia de estudio:


El flujo de fluidos es un fenómeno común a la vida diaria. El estudio de su mecanismo es esencialmente impulsado por entender la física involucrada, así como su control en diversas aplicaciones de ingeniería. La astrofísica, meteorología, oceanografía, aerodinámica, hidrodinámica, lubricación, ingeniería marina, turbomaquinaria, ingeniería de yacimientos e ingeniería de la combustión, son algunos de los campos donde la mecánica de fluidos se emplea.
En este curso se tratarán las bases de la mecánica de fluidos que son comunes a estas disciplinas y se presentarán algunos ejemplos específicos no con el objeto de dar recetas para resolver problemas en la práctica, sino con el objeto de mostrar los principios generales y su manejo.


    1. Unidades básicas:

    2. Sistemas de referencia:


Definición:
Un sistema de referencia o marco de referencia es un conjunto de convenciones usadas por un observador para poder medir la posición y otras magnitudes físicas de un objeto o sistema físico en el tiempo y el espacio.
En mecánica clásica frecuentemente se usa el término para referirse a un sistema de coordenadas ortogonales para el espacio euclídeo (dados dos sistemas de coordenadas de ese tipo, existe un giro y una traslación que relacionan las medidas de esos dos sistemas de coordenadas).
En Física clásica clásica un sistema de referencia se define por un par ordenado (P,E), donde el primer elemento “P” es un punto de referencia arbitrario, normalmente perteneciente a un objeto físico, a partir del cual se consideran las distancias y las coordenadas de posición. El segundo elemento E es un conjunto de ejes de coordenadas. Los ejes de coordenadas tienen como origen de coordenadas en el punto de referencia (P), y sirven para determinar la dirección y el sentido del cuerpo en movimiento (o expresar respecto a ellos cualquier otra magnitud física vectorial o tensorial).
Cuando un objeto se mueve en línea recta, solo necesitamos un eje. Cuando se mueve por un plano hacen falta al menos dos ejes. Para movimientos en el espacio se utilizan tres ejes. Los ejes de coordenadas más utilizados son los usuales en las matemáticas, llamados (x,y,z), donde el eje “x” es horizontal, positivo hacia la derecha y negativo hacia la izquierda, el eje “y” es vertical, positivo hacia arriba y negativo hacia abajo; y el eje “zmide profundidad, positivo cuando se acerca y negativo cuando se aleja. Cuando se estudian movimientos respecto a la superficie de la Tierra, se acostumbra a hacer pasar el eje “y” o el eje z por el centro de la Tierra, con el origen de coordenadas situado en la superficie.


    1. Propiedades de los fluidos:




    1. Densidad, (ρ):


La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen, o sea, es la cantidad de sustancia contenida en una unidad de volumen determinado, es una unidad derivada. Matemáticamente se define como el cociente entre la masa y el volumen de un cuerpo.


  • Fórmula:


En el caso de los gases, se parte de la ecuación de los gases perfectos:

donde:

p = presión del sistema

νs = volumen específico del sistema

n = número de moles del gas

R = constante de los gases

T = temperatura del sistema
pero:

donde:

m = masa del gas

PM = peso molecular del gas
Por lo que:

ordenando la ecuación, se tiene:



, por lo tanto:



  • Unidades:

La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3, también se utiliza frecuentemente la unidad g/cm3.

  • Densidad de algunos fluidos:

Sustancia

Densidad (g/cm3)

Sustancia

Densidad (g/cm3)

Aceite

0.8-0.9

Bromo

3.12

Acido sulfúrico

1.83

Gasolina

0.68-0.72

Agua

1.0

Glicerina

1.26

Agua de mar

1.01-1.03

Mercurio

13.55

Alcohol etílico

0.79

Tolueno

0.866

Fuente: Manual de Física Elemental. Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Editorial Mir (1975) (págs. 36-37).
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