Física. Los fluidos

Resumen- En el presente trabajo se explorarán conceptos nuevos en el campo de la hidrostática, mediante el uso del software de simulación se observó la variación en la velocidad y presión en regiones concretas del tubo que conducía el agua. Al modificar parámetros como el tamaño del tubo o el caudal se verificó el cumplimiento de la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli. Además, se buscó demostrar la aplicación de dichas ecuaciones al considerar la fricción entre las líneas de flujo del fluido.    

Palabras Clave:  Caudal, líneas de flujo, fricción.

1. INTRODUCCIÓN 

 Un fluido es definido como: “aquella sustancia incapaz de resistir fuerzas o esfuerzos de corte, sin deformarse, por pequeño que sea este esfuerzo”. En otras palabras, que tenga la capacidad de fluir [1].

Los fluidos se clasifican en líquidos y gases. Las fuerzas intermoleculares son mayores en los primeros, por lo que, al variar la presión o la temperatura los gases cambian fácilmente su volumen. La compresibilidad puede usarse para distinguir los líquidos de los gases; los gases son mucho más compresibles que los líquidos. Desde el punto de vista de la dinámica, no importa si el fluido es líquido o gas. Las leyes que se aplican son las mismas, pero en ocasiones, dependiendo del fluido que se trate, es posible despreciar algunos efectos y simplificar su estudio. Frecuentemente, líquidos tales como el agua pueden considerarse incompresibles [2].

En la dinámica de fluidos, para evaluar el comportamiento del fluido en su totalidad en movimiento se estudia únicamente una línea de corriente. Además, el fluido se considera como un fluido ideal, es decir, que sean incompresible (es decir, su densidad no puede cambiar) y no tiene fricción interna (llamada viscosidad). La trayectoria de una partícula individual en un fluido en movimiento se llama línea de flujo. Si el patrón global de flujo no cambia con el tiempo, el flujo se llama flujo estable. En un flujo estable, cada elemento que pasa por un punto dado sigue misma línea de flujo.

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Fig. 1. Modelo para el análisis de fluidos.

• Ecuación de continuidad.

La masa de un fluido en movimiento no cambia al fluir. Esto conduce a una relación cuantitativa importante llamada ecuación de continuidad. Por ello, la conservación de masa en un fluido se expresa con la Ec. 1 [3].  

                                𝐴1𝑉1 =𝐴2𝑉2                                                                                                                             (1)

       Donde:  

A=Área de las secciones transversales estacionarias.

V=Velocidad del fluido, en el punto de entrada o salida del tubo.

• Ecuación de Bernoulli.

“La suma de la presión, energía cinética por unidad de volumen y energía potencial gravitacional por unidad de volumen, tiene el mismo valor en todos los puntos a lo largo de una línea de corriente para un fluido ideal”. O sea, cuantifica la energía que entra al sistema y la que sale del mismo expresado en su forma general en la Ec. 2.  

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Fig. 2. Aplicación de la Ecuación de Bernoulli.

La ecuación de Bernoulli muestra que la presión de un fluido disminuye conforme la rapidez del fluido aumenta. Además, la presión disminuye conforme aumenta la elevación. Este último punto explica por qué la presión del agua de los grifos en los pisos superiores de un edificio alto es débil a menos que se tomen medidas para proporcionar mayor presión para dichos pisos [4].    

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