Introducción El análisis de fluidos en movimiento se puede realizar con relativa facilidad al conocer sus propiedades y haciendo uso de principios que describen su comportamiento, o al menos parte de él, basándose en el análisis de sus propiedades, las cuales pueden llegar a cambiar conforme cambia de estado el sistema analizado. Es precisamente ese cambio lo que nos ocupa e interesa en el análisis de un fluido en movimiento. Objetivo Explicar lo aprendido en cada una de las unidades del curso de Mecánica de Fluidos. 1 Tema 1 Propiedades de los fluidos Un fluido es un medio continuo en estado líquido, o gaseoso, que no es capaz de soportar esfuerzos tangenciales. La mecánica de fluidos se encarga del estudio del comportamiento de los fluidos. Para poder entender la mecánica de fluidos es necesario entender las propiedades de los fluidos, como densidad, peso y gravedad específicos; las cuales están presentes en la mayoría de los cálculos, como en el cálculo de la presión de un fluido en reposo, y abierto a la atmósfera. Densidad: Cantidad de masa de fluido por unidad de volumen. Peso específico: Cantidad de peso de fluido por unidad de volumen. Gravedad Específica: Relación entre densidad o peso específico de una sustancia y densidad o peso específico del agua a 4 °C. La presión se define como la fuerza aplicada sobre un fluido por unidad de área. Aunque la fórmula para el cálculo de la presión requiere conocer el área y la fuerza aplicada sobre dicha área, al analizar la presión a la que está sometido un fluido almacenado dentro de un recipiente, solo es necesario conocer el peso específico del fluido y la distancia que existe entre la superficie libre del fluido y el punto en el cual se quiere conocer la presión, ya que la presión en un fluido al estar confinado por fronteras rígidas depende de la profundidad a la que se encuentra el fluido con respecto de la superficie libre del fluido en cuestión. De esto se deduce que la presión en un fluido es la misma a el mismo nivel horizontal, y no depende de la geometría o el volumen del recipiente que lo contiene. Los fluidos en estado líquido se consideran incompresibles, mientras que los fluidos en estado gaseoso son considerandos compresibles; esto porque un líquido solo es compresible en muy pequeña medida, mientras que un gas es altamente compresible. 2 Tema 2 Hidrostática La presión al ser causada por una fuerza, y el peso al ser una fuerza, hace que sobre la superficie de la tierra exista una presión causada por el peso de las moléculas de aire que se encuentran sobre la superficie terrestre, llamada presión atmosférica, la cual es máxima al nivel del mar, y desciende en magnitud al incrementarse la altitud. Si se mide una presión tomando como referencia la presión atmosférica, se estará haciendo una medición de presión manométrica; por otra parte, si la medición de la presión se hace con respecto del vacío total, es decir, el punto en el cual hay una ausencia total de partículas, entonces se habla de una medición de presión absoluta. De las leyes de Pascal, se sabe que la presión en un fluido es la misma en cualquier parte del fluido, siempre y cuando la variación en la altura no sea considerable, y que la fuerza generada por la presión de un fluido, al estar confinado por paredes rígidas, actúa perpendicularmente a esas paredes. También se sabe que la presión actúa en todas direcciones dentro del fluido. En estas afirmaciones se basa el principio de Pascal, el cual dice que, aunque la presión es la misma en el fluido, si el área sobre la que actúa la presión de un fluido aumenta, la fuerza que se ejerce sobre tal área también aumentara, ya que la fuerza generada por una presión es directamente proporcional al área de contacto y a la presión. El principio de Arquímedes también descansa sobre un análisis de presiones. Tal principio enuncia que, sobre un cuerpo sumergido total o parcialmente, actúa una fuerza de empuje vertical hacia arriba, la cual es igual al producto del peso específico del fluido y el volumen sumergido del cuerpo en cuestión. Tal principio se formuló en base a la diferencia de presiones que existen sobre un cuerpo sumergido; esa diferencia de presiones existe porque la presión en la parte de arriba del cuerpo es menor que la presión que actúa en la parte de abajo del mismo, lo que hace que haya una fuerza resultante actuando hacia arriba, lo que origina la fuerza de flotación. También, en base al principio de Arquímedes se sabe que, si un cuerpo se coloca sobre un fluido, flotara si su densidad es menor que la del fluido; por otra parte, si la 3 densidad es mayor que la del fluido el cuerpo se sumergirá por la acción de su propio peso. Si en cambio, se quiere analizar la fuerza generada por la presión sobre una superficie, basta con realizar el producto de la presión y el área sobre la que se quiere calcular la fuerza que actúa. Sin embargo, lo anterior solo es aplicable para áreas que plana que estén a una misma profundidad, ya que si lo que se quiere es calcular la fuerza ejercida sobre una pared vertical o inclinada (las cuales están sumergidas en un fluido), es necesario calcular la resultante de todas las variaciones de fuerza que hay en la pared, ya que, al ser vertical, la presión aumentará con la profundidad; también se requiere calcular un punto sobre el cual será localizada esta resultante. Tema 3 Hidrodinámica Cuando un fluido fluye por una tubería o sistema cerrado, conocer la cantidad de fluido que fluye por una determinada sección es un intervalo de tiempo tiempo es algo esencial para el diseño de un sistema de manejo de fluidos, debido a que puede ser importante saber la capacidad que tiene el sistema suministrar un cierto volumen de fluido en un tiempo determinado. La cantidad de fluido que fluye por unidad de tiempo se puede expresar de tres formas distintas: Rapidez de flujo volumétrico: volumen de fluido que fluye por unidad de tiempo. Rapidez de flujo de masa: masa de fluido que fluye por unidad de tiempo. Rapidez de flujo de peso: peso de fluido que fluye por unidad de tiempo. Además de conocer la capacidad de un sistema para suministrar un cierto volumen, peso, o masa de fluido por unidad de tiempo, conocer la cantidad de fluido que fluye por unidad de tiempo también sirve para conocer la velocidad del fluido al haber un cambio en el área de sección transversal o viceversa. Esta relación se obtiene del principio de continuidad de masa, el cual enuncia que el flujo masico de un fluido es el mismo en dos puntos distintos siempre y cuando no se añada, elimine o almacene 4 parte del fluido. De este principio se puede definir que, si el área de sección transversal aumenta, la velocidad de fluido disminuye y viceversa. Otro principio físico aprovechable en el análisis de sistemas de manejo de fluidos es el principio de Bernoulli, el cual se obtiene al analizar las tres principales formas de energía que posee un fluido en movimiento, las cuales son: Energía Cinética: debida al movimiento de la masa de fluido. Energía Potencial: debida al cambio (si es que lo hay) en la elevación del fluido. Energía de Flujo: debida a que la fuerza generada por la presión actúa sobre la masa de fluido a lo largo de una distancia colineal a la dirección de la fuerza, lo cual genera un trabajo sobre el fluido. El principio de Bernoulli se puede aplicar a fluidos en movimiento debido a que la energía del fluido casi se conserva en su totalidad, por lo que se puede suponer sin error significativo, que la energía total del fluido en un punto es la misma en otro punto distinto; esto es útil cuando se quieren analizar las variables involucradas en estas formas de energía, como velocidad, presión y elevación en dos puntos distintos. De un análisis basado en el principio de Bernoulli, se obtiene el Teorema de Torricelli, el cual nos dice que la velocidad de un fluido que sale por un conducto o perforación en el fondo de un tanque con una cierta altura de fluido es igual a la raíz cuadrada del producto del doble de la altura de fluido por la aceleración de la gravedad. Tal principio puede ser útil tanto para el calculo de la velocidad, como de otras cantidades como la rapidez de flujo de masa o de peso, o variables involucradas en estos parámetros. Tema 4 Análisis dimensional Mediante el análisis dimensional es posible asegurarse de que una ecuación es homogénea dimensionalmente, esto significa que las dimensiones a las que corresponden las unidades dadas para tal ecuación son congruentes con el 5 resultado buscado. Para verificar esta congruencia, se puede hacer uso de el teorema de Pi de Buckingham, el cual se basa en un principio que enuncia que las dimensiones de las variables de una ecuación no dependen de las unidades en las que está. A grandes rasgos, lo que este método de análisis dimensional busca es reescribir la ecuación en cuestión como una función dependiente de grupos de variables adimensionales, las mismas variables de la ecuación; si la ecuación es correcta, cada uno de esos grupos de variables podrá volverse adimensional. 6 Conclusión Lo fundamental para comprender los distintos temas que comprende el curso de Mecánica de Fluidos, es entender las propiedades de un fluido, lo cual es lo primero en estudiarse, ya que sin importar el tema que se estudie, o lo avanzado que sea tal tema, seguirán viéndose involucradas las propiedades de un fluido en el análisis del sistema; de ahí la importancia de conocer los fundamentos básicos de la materia. Conforme se avanza en el curso, se puede entender con mayor claridad el comportamiento de un fluido, y con esto, es posible comprender como es que ocurren fenómenos físicos a nuestro alrededor, relacionados con un fluido. 7 Bibliografía No aplica 8
