Ensayo fluidos

Ensayo Mecánica de Fluidos
Mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de 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.
Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los
compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua
o del aceite.
La mecánica de fluidos podría aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia
antigua en origen y realizaciones, pero es más que eso, corresponde a un enfoque especial para
estudiar el comportamiento de los
líquidos y los gases.
Los principios básicos de l movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los
siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos científicos como Da Vinci, Galileo, Torricelli,
Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes
teóricos a lo que se denomina hidrodinámica. También en el campo de hidráulica experimental
hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y
otros, fundamentalmente durante el siglo XIX.
Hacia finales del siglo XIX la hidrodinámica y la hidráulica experimental presentaban una cierta
rivalidad. Por una parte, la hidrodinámica clásica aplicaba con rigurosidad principios matemáticos
para modelar el comportamiento de los fluidos, para lo cual debía recurrir a simplificar las
propiedades de estos. Así se hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran
siempre aplicables a casos reales. Por otra parte, la hidráulica experimental acumulaba
antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar importancia a al formulación de
una teoría rigurosa.
La Mecánica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo para unir
estas dos tendencias: experimental y científica. Generalmente se reconoce como fundador de la
mecánica de fluidos modela al alemán L. Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente
joven ala cual aun hoy
se están haciendo importantes contribuciones.

La referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la mecánica de fluidos
como un estudio científico datan según sus investigaciones de la antigua Grecia en el año 420 a.C.
hechos por Tales de Mileto y Anaximenes; que después continuarían los romanos y se siguiera
continuando el estudio hasta el siglo XVII.
Para clasificar a los materiales que se encuentran en la naturaleza se pueden utilizar diversos
criterios. Desde el punto de vista de la ingeniería, uno de los más interesantes lo constituye aquel
que considera el comportamiento de los elementos frente a situaciones especiales. De acuerdo a
ello se definen los estados básicos de sólido, plástico, fluidos y plasma. De aquí la de definición
que nos interesa es la de fluidos, la cual se clasifica en líquidos y gases.
La clasificación de fluidos mencionada depende fundamentalmente del estado y no del material en
si. De esta forma lo que define al fluido es su comportamiento y no su composición. Entre las
propiedades que diferencian el estado de la materia, la que permite una mejor clasificaron sobre
le punto de vista mecánico es la que dice la relación con la forma en que reacciona el material
cuando se le aplica una fuerza.
Los fluidos reaccionan de una manera característica a las fuerzas. Si se compara lo que ocurre a un
sólido y a un fluido cuando son sometidos a un esfuerzo de corte o tangencial se
tienen reacciones características que se pueden verificar experimentalmente y que permiten
diferenciarlos.
Con base al comportamiento que desarrollan los fluidos se definen de la siguiente manera: "Fluido
es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando esta sometido a un
esfuerzo de corte o tangencial". De esta definición se desprende que un fluido en reposo no
soporta ningún esfuerzo de corte.
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.
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)
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.

La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Esta 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 ala 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 esta 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 ala 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
Los fluidos en fase liquida o gaseosa dependiendo de las condiciones en que se encuentren. Las
sustancias puras pueden pasar por las cuatro fases, desde sólido a plasma, según las condiciones
de presión y temperatura a que estén sometidas. Se acostumbra designar líquidos a aquellos
materias que bajo las condicione normales de presión y temperatura en que se encuentran en la
naturaleza están en esa fase.
Cuando un liquido se le disminuye la presión a la que esta sometido hasta llegar a un nivel en el
que comienza a bullir, se dice que alcanzado la presión de vapor. Esta presión depende de la
temperatura. Así por ejemplo, para el agua a 100°C, la presión es de aproximadamente de 1 bar,
que equivale a una atmósfera normal. La presión de vapor y la temperatura de ebullición están
relacionadas y definen una línea que separa y el líquido de una misma sustancia en un grafico de
presión y temperatura.
El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una
fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica
por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza
hacia arriba que mantiene el barco a flote.
El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de
flotación se llama centro de flotación, y
corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que
flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia
entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.
El principio de Arquímedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan
irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y

luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este
volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede
determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una
precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener
el volumen y la densidad correctos.
Para el autor John Muller, Arquímedes fuel mas grande investigador de mecánica de fluidos de
todos los tiempos; ya que el fue quien descubrió las propiedades de los fluidos sometidos a
diversas circunstancias. Además el desarrollo como nadie mas, le mayor numero de postulados
fundamentales acerca del tema.
Para el autor Fay A. James un fluido es una sustancia que escurre o se deforma continuamente,
cuando esta sometido a un esfuerzo de corte tangencial en reposo solo soporta esfuerzos
normales.
La mecánica de los fluidos estudia el comportamiento de estos como un medio continuó, sin
considerar lo que ocurre a
nivel de sus moléculas. Se definen como propiedades intensivas a las que no dependen de la
cantidad de materia comprometida, y extensivas a las que dependen.
Para cuantificar el comportamiento de los fluidos se utiliza n ciertas magnitudes de referencia para
las dimensiones básicas. Para ello se utiliza él Sistema Internacional de Medidas, el cual se basa en
el sistema MKS. Las unidades básicas son: el metro, el segundo, el kilogramo y el grado kelvin. La
unidad de fuerza es el newton.
Los fluidos tienen dos propiedades mecánicas: masa específica y peso específico. La propiedad
más importante para los fluidos es la viscosidad, adema tiene otras propiedades como: la
compresibilidad, calor específico y tensión superficial.
Según el investigador John Miller: "La estática de los fluidos estudia las condiciones de equilibrio
bajo las cuales un fluido esta en reposo", sabiendo que para ello se requiere que todos los
elementos que lo forman se muevan ala misma velocidad, es decir que no se desplacen los unos a
los otros y por lo tanto no halla escurrimiento. El fluido esta entonces detenido o se mueve como
si fuera un cuerpo rígido sin deformarse. La ausencia de escurrimiento, y por lo tanto de
deformación angular, lleva implícita la ausencia de corte.
Bajo estas condiciones, sobre las superficies que están en contacto con el fluido solo se desarrollan
esfuerzos normales. Debido a al ausencia de esfuerzos tangenciales la
viscosidad no tiene importancia, de modo que los principios de la hidrostática son aplicable a
cualquier tipo de fluido viscoso o real, ideal o perfecto.
Una característica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre
cualquier partícula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la
partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por
unidad de superficie —la presión— que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo
contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera

perpendicular, la fuerza tendría una componente tangencial no equilibrada y el fluido se movería a
lo largo de la pared.
Este concepto fue formulado por primera vez en una forma un poco más amplia por el
matemático y filósofo francés Blaise Pascal en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicho
principio, que tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica, afirma que la presión aplicada
sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas
las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debidas al
peso del fluido y a la profundidad.Cuando la gravedad es la única fuerza que actúa sobre un líquido
contenido en un recipiente abierto, la presión en cualquier punto del líquido es directamente
proporcional al peso de
la columna vertical de dicho líquido situada sobre ese punto. La presión es a su vez proporcional a
la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamaño o forma del
recipiente. Así, la presión en el fondo de una tubería vertical llena de agua de 1 cm. de diámetro y
15 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 15 m de profundidad. De igual forma, si
una tubería de 30 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior esté
sólo a 15 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercerá la misma presión sobre el fondo que
en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubería sea mucho mayor que la altura
de la tubería vertical. Veamos otro ejemplo: la masa de una columna de agua dulce de 30 cm. de
altura y una sección transversal de 6,5 cm.2 es de 195 g, y la fuerza ejercida en el fondo será el
peso correspondiente a esa masa. Una columna de la misma altura pero con un diámetro 12 veces
superior tendrá un volumen 144 veces mayor, y pesará 144 veces más, pero la presión, que es la
fuerza por unidad de superficie, seguirá siendo la misma, puesto que la superficie también será
144 veces mayor. La presión en el fondo de una columna de mercurio de la misma altura será 13,6
veces superior, ya que el mercurio tiene una densidad 13,6 veces superior a la del agua.
El segundo principio importante de la estática de fluidos fue descubierto por el matemático y
filósofo griego Arquímedes. El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un
fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por
dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el
barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.
El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de
flotación se llama centro de flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado.
El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de
gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.
El principio de Arquímedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan
irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y
luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este
volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede
determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una
precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener
el volumen y la densidad correctos.

Una de las leyes fundamentales que rigen el movimiento de los fluidos es el teorema de Bernoulli,
que relaciona un
aumento en la velocidad de flujo con una disminución de la presión y viceversa. El teorema de
Bernoulli explica, por ejemplo, la fuerza de sustentación que actúa sobre el ala de un avión en
vuelo. Un ala —o plano aerodinámico— está diseñada de forma que el aire fluya más rápidamente
sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminución de presión en la
superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza
de sustentación que mantiene el avión en vuelo. Los coches de carrera son muy bajos con el fin de
que el aire se desplace a gran velocidad por el estrecho espacio entre la carrocería y el suelo. Esto
reduce la presión debajo del vehículo y lo aprieta con fuerza hacia abajo, lo que mejora el agarre.
Estos coches también llevan en su parte trasera un plano aerodinámico con forma de ala invertida
para aumentar la fuerza contra el suelo. La vela de un balandro en movimiento también constituye
un plano aerodinámico. Otro aspecto importante de la aerodinámica es la resistencia al avance
que experimentan los objetos sólidos que se mueven a través del aire. Por ejemplo, las fuerzas de
resistencia que ejerce el aire que fluye sobre un avión deben ser superadas por el empuje del
reactor o de las hélices. La resistencia al avance puede reducirse significativamente empleando
formas aerodinámicas. Según el autor James A. Fay: "Cuando el objeto no es totalmente
aerodinámico, la resistencia aumenta de forma aproximadamente proporcional al cuadrado de su
velocidad con respecto al aire". Por ejemplo, la potencia necesaria para propulsar un coche que
avanza de forma uniforme a velocidades medias o altas se emplea fundamentalmente en superar
la resistencia del aire.
Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja
velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente en 1839 por el fisiólogo
francés Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las características del flujo de la
sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer
intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió al ingeniero
francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico
George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos
incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan
complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que
circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque
parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que
provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una
tubería y un fluido
determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los
experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto sólo era
cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien
proporcional al cuadrado de la velocidad. Este problema no se resolvió hasta 1883, cuando el
ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en
tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente (flujo laminar),
y los resultados experimentales coinciden con las predicciones analíticas. A velocidades más
elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una

forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente. Reynolds también
determinó que la transición del flujo laminar al turbulento era función de un único parámetro, que
desde entonces se conoce como número de Reynolds. Si el número de Reynolds —que carece de
dimensiones y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería
dividido entre la viscosidad del fluido— es menor de 2.100, el flujo a través de la tubería es
siempre laminar; cuando los valores son más elevados suele ser turbulento. El concepto de
número de Reynolds es esencial para gran parte de la moderna mecánica de fluidos.
Según James A. Fay: "Los flujos turbulentos no se
pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de
una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos"; gran parte de la investigación
moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. Puede
observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento
cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un
movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace
inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados.
BIBLIOGRAFIA. CONSULTADA:
INTRODUCCION A LA MECANICA DE FLUIDOS.
2da. Edición.
Fernández Larrañaga Bonifacio.
Alfa omega Grupo Editorial.
México 1999.
MECANICA DE FLUIDOS.
Fay A. James
Editorial CECSA Cuarta Edición
México 1995
ELEMENTOS DE MECANICADE FLUIDOS.
Vernard J.K, Street R.L.
Tercera Edición Versión 51
Editorial CECSA
España 1998
FUNDAMENTOS BASICOS DE MECANICA DE FLUIDOS.
Williams, Gareth

Tercera Edición Editorial Mc Graw Hill Interamericana
México 1996
LA MECANICA DE FLUIDOS, APLICACIONES E IMPLICACIONES.
Wilson D. Jerry
Segunda Edición Editorial Prentice Hall
Chile 1994
LA MECANICA DE FLUIDOS
Muller John
Tercera Edición Editorial CECSA
México 1993
PAGINAS DE INTERNET.
http:www.encarta.com
REVISTAS
Mecánica Popular
Edición México.Numero 14 Año 67
México 1998

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