PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS

3.1 QUE ESTUDIA LA MECANICA DE LOS FLUIDOS

Para entender que estudia la mecánica de fluidos debemos conocer que: mecánica es la parte de la física que estudia el movimiento y del equilibrio de los cuerpos así como de las fuerzas que los producen (Newton estableció las leyes de la mecánica en el siglo XVII); y, fluido es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene, y al ser sometido a un esfuerzo cortante se deforma continuamente sin importar la magnitud de este.

Por otra parte la mecánica de medios continuos (MMC) es una rama de la física (específicamente de la mecánica) que propone un modelo unificado para sólidos deformables, sólidos rígidos y fluidos. Físicamente los fluidos se clasifican en líquidos y gases. El término medio continuo se usa tanto para designar un modelo matemático, como cualquier porción de material cuyo comportamiento se puede describir adecuadamente por ese modelo. Un medio continuo se concibe como una porción de materia formada por 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, en el tratamiento matemático ideal de un medio continuo se admite usualmente 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. Existen tres grandes grupos de medios continuos: Mecánica del sólido rígido, Mecánica de sólidos deformables y Mecánica de fluidos, que distingue a su vez entre: Fluidos compresibles y Fluidos incompresibles.

De lo anteriormente expuesto definimos y resumimos que la Mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos, que de igual forma pertenece a la física y estudia el movimiento (o en reposo) de los fluidos ya sea gases o líquidos, así como las fuerzas que los provocan.

Se ocupa del estudiar la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.

La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.

3.3 CLASIFICACION DEL FLUJO DE FLUIDOS

El concepto de flujo (vocablo derivado del latín fluxus) da nombre al acto y la consecuencia de fluir (entendido como sinónimo de brotar, correr o circular). La clasificación de los flujos obedece a la variable que sea de interés en una situación dada. Esas variables pueden referirse al fluido o al flujo mismo, y entre ellas pueden mencionarse: La viscosidad, densidad, la permanencia, el orden, la región o el sitio, la vorticidad, el comportamiento espacial del flujo. Cada característica del fluido o del flujo originará una clasificación particular y existen muchas otras propiedades y características que se pueden agregar a las antes mencionadas.

3.3.1 Según la Viscosidad del fluido:

Flujo real (Flujo Newtoniano): Es aquel en que para un pequeño esfuerzo cortante, la partícula fluida ofrece una resistencia al movimiento, o sea que hay manifestación de la viscosidad. Si el fluido que forma el flujo es real su viscosidad es positiva.

Flujo ideal (No-Newtoniano): Es el flujo cuya viscosidad es nula; o sea que el fluido carece de rozamiento. Para ciertas aproximaciones se ignorará el efecto de la viscosidad y se le asignará un valor nulo a la resistencia que genera la viscosidad. En ese caso el fluido es ideal y el flujo así formado también lo será.

3.3.2 Según la Densidad del fluido:

Flujo incompresible: Si el flujo se da para un fluido de densidad constante, el fluido y el flujo se denominarán incompresibles.

Flujo compresible: Si el fluido que lo origina lo es y en ese caso la función de densidad será un campo escalar de posición y tiempo.

3.3.3 Según la velocidad y el tiempo (permanencia del flujo):

Flujo permanente: Si las características del flujo no presentan variación en el tiempo, corresponden a la permanencia. Un flujo es permanente si el campo de velocidades, de presión, la masa volumétrica y la temperatura en cada punto, no depende del tiempo. Las componentes u, v, w son entonces únicamente función de x, y, y z. Flujo permanente: V=V(x, y, z).

Flujo no permanente o estacionario: Si las características del flujo presentan variación en el tiempo. En estos en el campo de velocidades, presión, masa volumétrica, y temperatura varían con el tiempo. Flujo no permanente: V=V(x, y, z, t).

Una característica particularmente importante desde este punto vista es la velocidad. Así se tendrán campos de velocidad para flujos permanentes o para flujos no permanentes:

3.3.4 Según las condiciones físicas que afectan el flujo:

Flujo adiabático: Es aquel flujo en el que dentro de los límites de su contorno no entra, ni sale calor.

Flujo diabático: Es aquel flujo en el que dentro de los límites de su contorno hay intercambio de temperatura.

El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico.

3.3.5 Según el orden del flujo:

El orden del flujo dará origen a los flujos laminares o turbulentos. Esta característica depende de la combinación de las propiedades del flujo, del fluido y de la región de flujo:

Flujo laminar: las partículas viajan siguiendo trayectorias muy definidas, sean rectilíneas o curvilíneas, sin variaciones macroscópicas de la velocidad, de manera que unas capas o láminas de flujo se deslizan o escurren las unas sobre las otras, deslizándose una capa sobre otra adyacente. La trayectoria del flujo es en dirección contraria a la fuerza que la genera.

Flujo transicional: Es el paso de flujo laminar a flujo turbulento.

Flujo turbulento: ocurren fluctuaciones irregulares del flujo, las partículas intercambian cantidad de movimiento lineal y angular, se desplazan de manera desordenada.

Este punto fue abordado por Osborne Reynolds quien en la Inglaterra de 1883 logró establecer los criterios para la clasificación de los flujos desde este punto de vista. Este criterio es el número de Reynolds (R=rVD/m) que indica flujo laminar para valores bajos y flujo turbulento para valores altos y muestra la influencia que tienen las variables del fluido (r, m), las del flujo (V) y las de la región del flujo (D) en el orden del movimiento de las partículas fluidas.

3.3.6 Según las regiones de flujo:

Flujos tridimensionales: ocurren en el espacio y por consiguiente sus características, estrictamente, varían en tres coordenadas espaciales y en el tiempo.

Flujo bidimensional: En muchos casos prácticos, con resultados satisfactorios, se ignora la variación de las propiedades del fluido y de las características del flujo a lo largo de una de las direcciones del espacio.

Flujo Unidimensional: Es aquel que desprecia las variaciones o cambios de velocidad, presión, etc., transversales a la dirección principal del flujo.

En el caso real se puede estudiar un flujo con esta simplificación y posteriormente introducir las correcciones en los bordes o fronteras de la región de flujo para lograr la conformidad con la naturaleza. Por ejemplo esta situación se da en el flujo alrededor de la pila sumergida de un puente, o alrededor de un perfil alar, o sobre la cresta de un vertedero de caudales máximos en una presa. En otras situaciones se puede simplificar aún más el flujo que se estudia y considerar que la variación de las propiedades del fluido y las características medias del flujo varían solamente a lo largo de una dirección en el espacio y con el tiempo. Ejemplos de tales situaciones son el flujo a lo largo de una tubería o de un canal donde se considera que las propiedades del fluido y las características medias del flujo tienen valores que solamente dependen de la abscisa a lo largo del conducto y del tiempo. Para este caso puede ser muy útil el sistema coordenado de línea (s, t).

3.3.7 Vorticidad del flujo:

Una partícula fluida, en el seno de un medio fluido en movimiento, está sometida a esfuerzos normales (presión) y cortantes (fricción) y como consecuencia de la acción combinada de los esfuerzos cortantes que soporta puede rotar sobre alguno o algunos de sus ejes. La velocidad angular es particular alrededor de cada eje. La combinación de esas velocidades angulares origina que la partícula rote en el espacio con mayor o menor rapidez, o que no rote en absoluto respecto a ningún eje. En parte eso depende de la distribución de velocidades a lo largo de cada una de las direcciones espaciales y de la viscosidad misma del fluido.

Flujo rotacional: Si alguna partícula del fluido rota en función al flujo en cualquiera de sus ejes, es decir, si la vorticidad es diferente

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