Conceptos Clave de Mecánica de Fluidos: Viscosidad, Flujo y Principios Fundamentales
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Definición de Fluido
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante, sin importar cuán pequeño sea este.
Esfuerzo Cortante (ζ)
ζ representa la componente de la fuerza tangente a una superficie. El esfuerzo cortante promedio sobre una superficie se calcula dividiendo esta fuerza por el área de la superficie.
Viscosidad (μ)
La viscosidad (μ) es la propiedad del fluido mediante la cual este ofrece resistencia al esfuerzo cortante.
Ley de Newton de la Viscosidad
La ley de Newton de la viscosidad expresa que el esfuerzo cortante es directamente proporcional al gradiente de velocidad y a la viscosidad del fluido.
Principio de Bernoulli
El principio de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido que se mueve a lo largo de una línea de corriente. En un flujo estacionario, en una tubería horizontal de sección constante, la variación de presión (ΔP) sería cero si no existiera viscosidad. Sin embargo, debido a la viscosidad, se requiere un ΔP para impulsar el fluido. Esto se debe a la resistencia de frenado que ejerce el tubo sobre el fluido en contacto con él y a la fuerza de arrastre entre capas adyacentes de fluido que se mueven a diferentes velocidades.
Ley de Poiseuille
La ley de Poiseuille relaciona la caída de presión (ΔP) con la resistencia (R) al flujo de un fluido a través de un tubo: ΔP = Iv/R, donde Iv es el caudal volumétrico.
Para un flujo laminar estacionario en un tubo circular de radio r y longitud L, la resistencia se calcula como:
R = (8 * μ * L) / (π * r4)
Turbulencia y Número de Reynolds
Cuando la velocidad del fluido es suficientemente alta, el flujo laminar se rompe y se establece la turbulencia. La velocidad crítica a la que ocurre esta transición depende de la viscosidad, la densidad del fluido, y una longitud característica (como el radio del tubo). El tipo de flujo se puede caracterizar mediante un número adimensional, el número de Reynolds (Re).
Plásticos de Bingham
Los plásticos de Bingham son sustancias que permanecen rígidas mientras el esfuerzo cortante es menor que un valor umbral (ζo). Cuando se supera ζo, se comportan como fluidos newtonianos.
Viscosidad Cinemática
La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad absoluta (dinámica) y la densidad del fluido.
Efecto Venturi
El efecto Venturi establece que, en un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado, la presión disminuye al aumentar la velocidad cuando el fluido pasa por una zona de sección transversal menor.
Ecuación de Colebrook
La ecuación de Colebrook es una fórmula implícita que se utiliza para calcular el factor de fricción en tuberías, considerando tanto el flujo laminar como el turbulento.
Principio de Pascal
El principio de Pascal afirma que un cambio de presión aplicado a un líquido encerrado dentro de un recipiente se transmite por igual a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente.
Principio de Arquímedes y Flotación
El principio de Arquímedes establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascensional (empuje) igual al peso del fluido desplazado.
Línea de Flujo
Una línea de flujo es la trayectoria descrita por una partícula de fluido en movimiento. En un flujo estacionario, la velocidad en cada punto no varía con el tiempo, aunque puede variar de un punto a otro.
Línea de Corriente
Una línea de corriente es una curva cuya tangente en cualquier punto coincide con la dirección de la velocidad del fluido en ese punto. En un flujo estacionario, las líneas de corriente y las líneas de flujo coinciden.