La estática de los fluidos

Introducción

En un fluido en reposo la fuerza que ejerce el fluido en cada punto y sobre cada elemento infinitesimal del mismo solo puede ser perpendicular a la superficie del elemento; si no fuera así la fuerza se podría descomponer en una fuerza perpendicular y otra tangencial que haría moverse el elemento, con lo que no estaría en reposo. A este esfuerzo o tensión se le llama presión.

La estática de los fluidos es una parte de la mecánica que estudia a los fluidos en reposo; muchos la llaman Hidrostática a pesar que este término significa “Estática del Agua”. Ese término se emplea en general para designar la estática de los fluidos. Los fluidos son sustancias que pueden fluir, por consiguiente, el término incluye tanto los líquidos como los gases. En la estática de los fluidos se presume que el fluido y los demás objetos pertinentes, tales como el recipiente que lo contiene están en reposo. Sin embargo los fluidos que existen en la naturaleza poseen movimiento en su interior debido al roce interno o viscosidad; esto dificulta el estudio de los fluidos ideales es decir, aquellos en los cuales no existe ningún tipo de viscosidad

El estudio de las leyes y principios básicos de la estática de fluidos permite explicar fenómenos diversos, tales como: la navegación de los barcos, el sistema de abastecimiento de aguas de las ciudades, entre otros. Así mismo, se podrá entender el funcionamiento de aparatos e instrumentos de extraordinario interés, como el sistema de frenos hidráulicos de un automóvil, la prensa hidráulica, el barómetro, el globo aerostático, etcétera.

Definición de Fluido

Fluido es toda sustancia no sólida que tiene la capacidad de fluir, por tanto sus moléculas pueden deslizar unas respectó a otras sin dificultad.

Fluido es toda sustancia material continua y deformable que en reposo sólo admite tensiones normales

Se denominan Fluidos a las sustancias en general, aquellas que se deforman cuando se le aplica una presión o tensión en su superficie, pero no todos los fluidos se comportan de la misma manera a las fuerzas externas que reciben, esto se debe a la viscosidad que presentan, la viscosidad es la resistencia de un fluido a moverse o cambiar de forma por una acción aplicada.

Tipos de fluidos

Fluido newtoniano

Un Fluido newtoniano: es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. Los fluidos newtonianos son uno de los fluidos más sencillos de describir. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su velocidad de deformación es lineal. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, la miel o los geles y sangre que son ejemplos de fluido no newtoniano.

Fluido no newtoniano

Un fluido no newtoniano es aquel fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

O también se pueden clasificar en:

Líquidos

El líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente incompresible (lo que significa que su volumen es, muy aproximadamente, constante en un rango grande de presión.

Gases

Se denomina gas al estado de agregación de la materia en el cual, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, sus moléculas interaccionan sólo débilmente entre sí, sin formar enlaces moleculares adoptando la forma y el volumen del recipiente que las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible por su alta energía cinética) . Los gases son fluidos altamente compresibles, que experimentan grandes cambios de densidad con la presión y la temperatura.

¿Qué es el equilibrio hidrostático?

Muchos tal vez ni siquiera han oído hablar de él, pero lo cierto es que el equilibrio hidrostático afecta a líquidos, aire y en el espacio.

El equilibrio hidrostático permite la estabilidad de los sistemas, y por eso es uno de los principios más importantes dentro del área científica.

El equilibrio hidrostático es uno de los principios más importantes de la física de la atmósfera y la astrofísica. En él se definen las propiedades de estabilidad de un sistema gaseoso dentro de un campo gravitatorio

Generalmente se utiliza para estimar las propiedades de la atmósfera, los planetas, las estrellas e incluso los centros de la galaxia.

Equilibrio hidrostático en líquidos

El principio de equilibrio hidrostático dice que la presión en cualquier punto de un fluido en reposo es debido al peso del fluido suprayacente. Debemos tener en cuenta que la presión es la fuerza por unidad de área.

Equilibrio hidrostático en el aire

El equilibrio hidrostático es más difícil de aplicar en el aire, ya que la densidad varía con la presión y la temperatura.

Equilibrio hidrostático en el espacio

En el espacio, este equilibrio se produce cuando la compresión que se debe a la gravedad se equilibra con la presión, que genera una fuerza en dirección opuesta.

Por ejemplo, en las estrellas, esta presión se produce por una gran cantidad de energía térmica creada por fusiones nucleares, que actúa hacia el exterior. Las estrellas más grandes, al tener más masa necesitarán generar más temperatura para conseguir este equilibrio, de forma que agotan rápidamente el hidrógeno y, por tanto, vivirán menos.

Presión hidrostática

La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de saberse dentro de este. Esta presión depende de la densidad del líquido y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo.

Presión Manométrica

Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama presión de vacío.

Propiedades de los Fluidos

Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gasas. Sin embargo la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.

Masa especifica, peso específico y densidad.

Se denomina masa específica a la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia. Se designa por P y se define: P = lim (m/ v)

v->0

El peso específico corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por ß. La masa y el peso específico están relacionados por:

ß = gP

Donde g representa la intensidad del campo gravitacional.

Se denomina densidad a la relación que exista entre la masa específica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se utiliza la masa especifica del agua a 4°C como referencia, que corresponde a 1g/cm3 y para los gases se utiliza al aire con masa especifica a 20°C 1 1,013 bar de presión es 1,204 kg/m3.

Viscosidad.

La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Está ligada a la resistencia que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos. Además los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relación que exista entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformación.

Supóngase que se tiene un fluido entre dos placas paralelas separada a una distancia pequeña entre ellas, una de las cuales se mueve con respecto de la otra. Esto es lo que ocurre aproximadamente en un descanso lubricado. Para que la palca superior se mantenga en movimiento con respecto a la inferior, con una diferencia de velocidades V, es necesario aplicar una fuerza F, que por unidad se traduce en un esfuerzo de corte, ŋ = F / A, siendo A el área de la palca en contacto con el fluido. Se puede constatar además que el fluido en contacto con la placa inferior, que está en reposo, se mantiene adherido a ella y por lo tanto no se mueve. Por otra parte, el fluido en contacto con la placa superior se mueve a la misma velocidad que ella. Si el espesor del fluido entre ambas placas es pequeño, se puede suponer que la variación de velocidades en su interior es lineal, de modo que se mantiene la proporción:

dv / dy = V/y

Compresibilidad.

La compresibilidad representa la relación entre los cambios de volumen y los cambios de presión a que está sometido un fluido. Las variaciones de volumen pueden relacionarse directamente con variaciones de la masa específica si la cantidad de masa permanece constante. En general se sabe que en los fluidos la masa especifica depende tanto de la presión como de la temperatura de acuerdo a la ecuación de estado.

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