La Mecánica de los Fluidos es la ciencia que estudia
el comportamiento de los fluidos en reposo o en
movimiento y la interacción de estos con sólidos o con otros
fluidos en las fronteras.
Se clasifica en:
- Estática: De los líquidos llamada Hidrostática.
De los gases llamada Aeroestática.
- Cinemática: De los líquidos llamada Hidrodinámica.
De los gases llamada Aerodinámica.
Los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan
a la forma de los recipientes que los contienen. Cuando
están en equilibrio, los fluidos no pueden soportar fuerzas
tangenciales o cortantes. Todos los fluidos son
compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a
los cambios de forma.
El fluido se mueve fácilmente bajo la influencia de fuerzas tangenciales a su
superficie pero puede soportar fuerzas perpendiculares a su superficie.
En equilibrio el fluido que está en contacto con el envase siente una fuerza normal
(perpendicular) a la superficie del envase y el fluido hace una fuerza (reacción) sobre el envase.
Las diferentes partes del fluido hacen fuerzas sobre las partes adyacentes.
La densidad del fluido puede cambiar fácilmente (gas) o puede que no cambie
1.
Densidad
2.
Densidad relativa
3.
Compresibilidad
4.
Peso específico
5.
Presión del fluido
6.
Viscosidad dinámica o absoluta
7.
Viscosidad cinemática
8.
Tensión superficial
9.
Capilaridad
En la materia ya sea en estado sólido, líquido o gaseoso
podemos aplicar el concepto de densidad: “masa por
unidad de volumen”
= m/V
La unidad internacional de densidad es
(kg / m3)
Densidad del agua = 1000 (kg / m3)
= 1 (g/cm3)
2.Densidad relativa
La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su
densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como
referencia o patrón:
δ r = δ / δ p
Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón
el agua cuya densidad a 4
°C es igual a 1000 kg/m ³. Para gases
la sustancia de referencia la constituye con frecuencia
el aire
que a 0
°C de temperatura y 1 atmósfera de presión tiene una
densidad de 1,293 kg/m ³. Como toda magnitud relativa, que se
obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la
densidad relativa carece de unidades físicas.
3. Compresibilidad
a) los líquidos; son prácticamente incompresibles
4. Peso específico
El peso específico representa la fuerza con que la Tierra
atrae a un volumen unidad de la misma sustancia
considerada. La relación entre peso específico y
densidad es la misma que la existente entre peso y masa.
En efecto:
ρ = P/V = m.g/V = δ.g
siendo g la aceleración de la gravedad. La unidad del
peso específico en el SI es el
5. Presión
La presión de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las
direcciones y actúa normalmente a cualquier a cualquier superficie
plana. En el mismo plano horizontal, el valor de la presión de un líquido
es igual en cualquier punto. Las medidas de presión se realizan con los
manómetros, que pueden ser de diversas formas. De no advertir lo
contrario, a través de todo el libro de presiones serán las presiones
relativas o manométricas. La presión manométrica representa el valor
de la presión con relación a la presión atmosférica.
Presión
La diferencia de presiones entre dos puntos a distintos
niveles de un líquido viene dada por
Si el punto 1 está en la superficie libre del líquido y h es
interacción y cohesión de sus moléculas. 𝜇=kg. seg
m2
- Viscosidad absoluta o dinámica: representa la viscosidad dinámica del líquido y es
medida por el tiempo en que tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada temperatura.
𝜇= kg. seg
m2
- Viscosidad cinemática: es la relación entre viscosidad absoluta y la densidad.
temperatura, pero no se ve afectada apreciablemente
por las variaciones de presión. La viscosidad absoluta de
los gases aumenta al aumentar la temperatura, pero casi
no varía con la presión. Como el peso específico de los
gases varía con la presión (a temperatura constante), la
viscosidad cinemática es inversamente proporcional a la
presión.
1P= 0,1 Pa.s 1cP= 0,001 Pa.s= 1mPa.s
Viscosidad cinemática:
1St= 10-4 m2 /s 1cSt= 10-6 m2 /s
Otras unidades
Saybolt/seg: USA, SAE
El tiempo en segundos requeridos por 60 ml de fluido por un tubo capilar en un viscosímetro Saybolt Furol a una temperatura específica entre 70°F y 210°F.
Redwood
Viscosímetro estandar Británico. El tiempo en segundos que requieren 50 ml the aceite para fluir en un viscosímetro Redwood a una temperatura específica.
Acetona 0.787 7.72 787 3.16 x 10-4 Alcohol, etílico 0.787 7.72 787 1.00 x 10-3 Alcohol, metílico 0.789 7.74 789 5.60 x 10-4 Alcohol, propílico 0.802 7.87 802 1.92 x 10-3 Amoniaco 0.826 8.1 826 — Benceno 0.876 8.59 876 6.03 x 10-4 Tetracloruro de carbono 1.590 15.6 1590 9.10 x 10-4 Aceite de ricino 0.96 9.42 960 6.51 x 10-1 Etilenglicol 1.100 10.79 1100 1.62 x 10-2 Gasolina 0.68 6.67 680 2.87 x 10-4 Glicerina 1.258 12.34 1258 9.60 x 10-1 Queroseno 0.823 8.07 823 1.64 x 10-4 Aceite de linaza 0.930 9.12 930 3.31 x 10-2 Mercurio 13.54 132.8 13540 1.53 x 10-3 Propano 0.495 4.86 495 1.10 x 10-4 Agua de mar 1.030 10.10 1030 1.03 x 10-3 Trementina 0.87 8.53 870 1.37 x 10-3
Aceite de petróleo, medio 0.852 8.36 852 2.99 x 10-3
en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie kgm/m2 (Giles, Ronald)
7. Tensión superficial: es la medida de la capacidad de soportar tensiones de la superficie de
un líquido.
- la tensión superficial :es la fuerza por unidad de longitud de cualquier línea
recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra. (Maiztegui y Sabato)
Ejemplos: La tensión superficial dificulta el paso del agua por aberturas pequeñas tales como los diminutos espacios entre las
fibras de la ropa, las gotas adoptan su forma esférica debido a la tensión superficial, etc.
8. Capilaridad: la elevación o descenso de un líquido en tubo capilar vienen producidos por la
tensión superficial, dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión y de la adhesión del líquido a las paredes del tubo.
8. Capilaridad: El agua moja el recipiente de vidrio debido a que sus moléculas son atraídas con
mayor intensidad por las moléculas de vidrio (fuerzas de adhesión) que por las moléculas de agua (fuerzas de cohesión) . El caso contrario ocurre con el mercurio: las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión.
La presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce
sobre cada unidad de área de la superficie considerada.
La presión en los fluidos
La fuerza que ejerce un fluido en
equilibrio sobre un cuerpo sumergido
en cualquier punto es perpendicular a la
superficie del cuerpo.
1 bar = 10
5Pa.
0
F
F
F
mg
1
2
ρVg
xA
P
xA
P
0
P
P
ρAhg
A
0
gh
P
P
0
h
g
P
P
0
Esta ecuación indica que para un líquido dado y para una presión exterior constante la presión en el interior depende únicamente de la profundidad h.
Ello implica que ni la forma de un recipiente ni la cantidad de líquido que
contiene influyen en la presión que se ejerce sobre su fondo, tan sólo la altura de líquido. Esto es lo que se conoce como paradoja hidrostática
una de las partes del mismo. 1
F
A
A
F
1 2 2
1 2 1 2 2 2F
R
R
F
2 1 1 2 2 2F
R
R
F
Presión P
2 2 1 1A
F
A
F
P
El mercurio descendió hasta una altura h=0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacío
p=0, y sabiendo la densidad del mercurio es 13.55 g/cm3 ó 13550
sumergido en un fluido, es empujado hacia arriba por una
fuerza igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo.
La fuerza ejercida por el fluido se conoce como fuerza de
flotación o empuje hidrostático.
Esto significa que el cuerpo sumergido en un fluido
parecerá más liviano que en el vacío, en una cantidad
igual al valor del empuje ejercido por el fluido.
hacia arriba igual al peso de fluido desalojado
Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje
g
V
g
m
Si la densidad del objeto es menor que la densidad del líquido: Subida del objeto
(acelera para arriba)
Si la densidad del objeto es mayor que la densidad del líquido: Bajada del objeto
(acelera abajo).
sumergidos.
g
V
F
E
F
total
g
(
f
o
)
o
El principio de Arquímedes se puede también aplicar a los globos que flotan en aire (el aire se puede considerar un líquido)
En los V.C. con un solo líquido, éste alcanza el mismo nivel en todos los recipientes pues la superficie está sometida a la misma presión (atmosférica) y todos los
puntos que están a igual nivel tienen la misma presión:
Suponiendo que todos los recipientes están abiertos en su parte superior y volcamos agua dentro de ellos, ¿ qué esperas que ocurra con el nivel del líquido en todos ellos?