Conceptos Basicos De Mecanica De Los Fluidos

Introducción

La Mecánica de Fluidos estudia las leyes del movimiento de los fluidos y sus procesos de interacción con los cuerpos sólidos. La Mecánica de Fluidos como hoy la conocemos es una mezcla de teoría y experimento que proviene por un lado de los trabajos iniciales de los ingenieros hidráulicos, de carácter fundamentalmente empírico, y por el otro del trabajo de básicamente matemáticos, que abordaban el problema desde un enfoque analítico.

Al integrar en una única disciplina las experiencias de ambos colectivos, se evita la falta de generalidad derivada de un enfoque estrictamente empírico, válido únicamente para cada caso concreto, y al mismo tiempo se permite que los desarrollos analíticos matemáticos aprovechen adecuadamente la información experimental y eviten basarse en simplificaciones artificiales alejadas de la realidad.

Mecánica de los fluidos

Conceptos fundamentales

La mecánica de fluidos estudia los comportamientos de los fluidos y las fuerzas que los provocan; ya sea que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos), los fluidos se dividen en gases y líquidos.

Un fluido es una es una sustancia en cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil, esto quiere decir que carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene

Esfuerzo cortante es la relación entre la fuerza y el área a través de la cual se produce el deslizamiento, donde la fuerza es paralela al área

Ejemplo: Esfuerzo cortante = fuerza / área donde se produce el deslizamiento  = P / A donde, “” es el esfuerzo cortante, “P” es la fuerza que produce el esfuerzo cortante y “A” es el área sometida a esfuerzo cortante. La fuerza P debe ser paralela al área.

Ley de viscosidad de Newton establece que para ciertos fluidos el esfuerzo cortante sobre una interfaz tangente a la dirección de flujo, es proporcional a la tasa de cambio de la velocidad con respecto a la distancia, donde la diferenciación se toma en una dirección normal a la interfaz. Donde μ es la viscosidad.

Fluido newtoniano es aquel fluido cuya viscosidad dinámica depende de la presión y la temperatura, pero no del gradiente de velocidad. Estos son el agua, el aire, la mayor parte de los gases y en general los fluidos de pequeña viscosidad.

Fluido no newtoniano es aquel fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Estos son las grasas, materiales plásticos, metales líquidos, suspensiones, la sangre, etc.

Fluido ideal es aquel fluido en donde sus partículas pueden moverse sin interaccionar unas con otras. Se comporta de tal manera que en su movimiento no hay transferencias entre partículas; su representación en el diagrama Reológico es el eje horizontal: en el proceso de flujo no hay ningún tipo de esfuerzo tangencial; con este tipo de comportamiento el fluido se denomina ideal.

Diagrama Reológico Es la gráfica τ vs dv/dy, que sirve para identificar el tipo de fluido en función de la viscosidad.

En el diagrama Reológico, la pendiente de la curva tensión tangencial frente a la velocidad de deformación es la viscosidad del fluido. Si la pendiente es constante, se tiene un fluido newtoniano, y a los fluidos de comportamiento Reológico no lineal se les denomina “no newtoniano”.

Propiedades de los fluidos, definición, ecuaciones, unidades.

Viscosidad absoluta

La viscosidad dinámica o absoluta es una propiedad existente en los fluidos que indica mayor o menor resistencia que estos permiten al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante.

Dicho esfuerzo, “τ” (tau), se define como la fuerza requerida para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra. Entonces, τ es una fuerza dividida entre un área, y se mide en las unidades de N/m2 (Pa) o lb/pie2.

En fluidos como el agua, el alcohol u otros líquidos comunes, la magnitud del esfuerzo cortante es directamente proporcional al cambio de velocidad entre las posiciones diferentes del fluido (gradiente de velocidad: Δv/Δy), denominado también como tasa cortante.

El hecho de que el esfuerzo cortante en el fluido sea directamente proporcional al gradiente de velocidad se enuncia de la siguiente manera:

τ = η (Δv/Δy). Eta (η) es una constante de proporcionalidad, denominada viscosidad dinámica de fluido.

La definición de viscosidad dinámica se obtiene al despejar a η la ecuación:

η = τ / (Δv/Δy)= τ (Δy/Δv).

Unidades:

η = N•s/m², Pa•s ó Kg / (m•s) en el Sistema internacional de medidas (SI) y lb•s/pie² o slug / (pie•s) en el Sistema tradicional (ST)

Viscosidad cinemática

La Viscosidad Cinemática (υ, ípsilon) es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de un fluido. Se expresa de la siguiente manera:

υ = η/ρ

Debido a que η y ρ son propiedades de fluidos, υ también es una propiedad.

Unidades:

υ = m²/s en el SI y pie²/s en el ST

Densidad

Densidad (ρ, rho) es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Por tanto, se tiene:

ρ = m/V

Donde V es el volumen de la sustancia que tiene masa m.

Unidades:

ρ = Kg/m3 en el SI y Slug/ft3 en el ST

Peso específico

Peso específico (γ gamma) es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia. Por lo tanto, se expresa de la siguiente manera:

γ = w/V

Donde V es el volumen de una sustancia que tiene peso w.

Unidades:

γ = N/m3 en el SI y lb/pie3 en el ST

Gravedad específica

La gravedad específica (sg) es la razón de la densidad de una sustancia a la densidad del agua a 4 °C. También puede definirse como la razón del peso específico de una sustancia al peso específico del agua a 4 °C. Esto se debe a que el agua tiene su mayor densidad precisamente a esa temperatura. Entonces:

sg = γs/γw a 4ºC = ρs/ρw a 4ºC

Donde el subíndice “s” se refiere a la sustancia cuya gravedad específica se va a determinar, y el subíndice w se refiere al agua. Las propiedades del agua a 4 °C son constantes, y tienen los valores:

yw a 4ºC=9,81 kN/m3 ó 62.4 lb/pies3

ρw a 4ºC= 1000 kg/m3 ó 1.94 slugs/pies3

Compresibilidad

La compresibilidad se refiere al cambio de volumen (V) que sufre una sustancia cuando se sujeta a un cambio de presión. Se expresa como:

E = —Δp/ [(ΔV)/V]

Unidades:

E = Pa/m3

Tensión superficial de un líquido

Entre un líquido y un gas o entre dos líquidos no miscibles, se forma una película, debido a la atracción de las moléculas del líquido por debajo de la superficie. La formación de esta película puede visualizarse con base en la energía superficial o en el trabajo por unidad de área requerido para llevar las moléculas a la superficie. Entonces, la tensión superficial es la fuerza de tensión requerida para formar la película, obtenida dividiendo el término de energía superficial por unidad de longitud de la película en equilibrio.

La acción de la tensión superficial es incrementar la presión dentro de una pequeña gota de líquido o dentro de un pequeño chorro de líquido. Para una pequeña gota esférica de radio r la presión interna p necesaria para balancear la fuerza de tensión debida a la tensión superficial s se calcula en función de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre semiesférico

pr² = 2r ó p = 2/r

Para un chorro cilíndrico de radio r se puede aplicar la ecuación

P = /r

Ambas ecuaciones muestran que la presión se incrementa para radios muy pequeños tanto de la gota como del cilindro.

La atracción capilar es causada por la tensión superficial y por el valor relativo de la adhesión entre líquido y sólido con respecto a la cohesión del líquido. Un líquido que moja el sólido tiene mayor adhesión que cohesión. La acción de la tensión superficial en este caso hace que el liquido suba dentro de un pequeño tubo vertical que se encuentra parcialmente sumergido en el. Para líquidos que no mojan el sólido, la tensión superficial tiende a deprimir el menisco en un pequeño tubo vertical. Cuando se conoce el ángulo de contacto entre el liquido la altura capilar puede calcularse para una forma supuesta del menisco.

La tensión superficial es una fuerza que como su nombre indica produce efectos de tensión en la superficie de dos líquidos allí donde el fluido entra en contacto con otro fluido o con un contorno sólido (vasija, tubo, etc.). El origen de esta fuerza es la cohesión intermolecular y la fuerza de adhesión del fluido al sólido.

En la superficie libre de un líquido, que es por tanto la superficie de contacto entre dos fluidos, líquido y aire, la tensión superficial se manifiesta como si el líquido creara allí una fina membrana.

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