Fundamentos de Flotabilidad y Estabilidad en Fluidos: Principios Clave
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Flotabilidad y Estabilidad en Fluidos
Flotabilidad
La flotabilidad es la tendencia de un fluido a ejercer una fuerza de soporte sobre un cuerpo colocado en el fluido. Dicho de otra manera, un cuerpo que esté en un fluido, ya sea en flotación o sumergido, se mantiene a flote por medio de una fuerza que es igual al peso del fluido desplazado. La fuerza de flotación actúa verticalmente hacia arriba a través del centroide del volumen desplazado.
Materiales de Flotación
El diseño de cuerpos flotantes requiere el uso de materiales ligeros que ofrecen un alto grado de flotabilidad. Además, cuando es necesario mover un objeto relativamente pesado mientras está sumergido en un fluido, suele ser deseable añadir flotabilidad para facilitar la movilidad. El material de flotabilidad general tiene las siguientes propiedades:
- Bajo peso y baja densidad específica
- Poca o ninguna tendencia a absorber el fluido
- Compatibilidad con el fluido en el que va a operar
- Capacidad de conformarse a los perfiles adecuados
- Capacidad para soportar las presiones del fluido al que estará expuesto
- Resistencia a la abrasión y tolerancia
- Apariencia atractiva
Estabilidad de Cuerpos Completamente Sumergidos
La estabilidad se refiere a la capacidad que tiene un cuerpo, cuando está en un fluido, de regresar a su posición original después de ser inclinado con respecto a un eje horizontal.
Condición de estabilidad para cuerpos sumergidos:
La condición necesaria para lograr la estabilidad de cuerpos completamente sumergidos en un fluido es que su centro de gravedad se sitúe por debajo de su centro de flotabilidad.
Estabilidad de Cuerpos Flotantes
La condición necesaria para lograr la estabilidad de los cuerpos flotantes es diferente de la de los cuerpos completamente sumergidos: la razón se muestra en la siguiente imagen, que muestra la sección transversal aproximada del casco de un barco.
Condición de estabilidad para los cuerpos flotantes:
Un cuerpo flotante es estable si su centro de gravedad está por debajo del metacentro.
La distancia al metacentro desde el centro de flotabilidad se llama MB y se calcula a partir de:
Grado de Estabilidad
Una medida de la estabilidad relativa se denomina altura metacéntrica, la cual es definida como la distancia que hay al metacentro por encima del centro de gravedad y se llama MG.
Curva de estabilidad estática
Otra medida de la estabilidad de un objeto flotante es la cantidad de desplazamiento que hay entre la línea de acción del peso del objeto que actúa a través del centro de gravedad y la línea de acción de la fuerza de flotación que actúa a través del centro de flotabilidad.
Rapidez del Flujo de Fluido
La cantidad de fluido que pasa por un sistema por unidad de tiempo puede expresarse por medio de tres términos distintos:
- Q: El flujo volumétrico es el volumen de fluido que circula en una sección por unidad de tiempo.
- W: El flujo en peso es el peso del fluido que circula en una sección por unidad de tiempo.
- M: El flujo másico es la masa de fluido que circula en una sección por unidad de tiempo.
La Ecuación de Bernoulli
Se basa en el principio de conservación de la energía, es la herramienta fundamental desarrollada en este capítulo para evaluar los cambios en estos tres tipos de energía.
La Ecuación de la Continuidad
El método de cálculo de la velocidad de flujo en un sistema de ductos cerrados depende del principio de continuidad. Considere el conducto de la figura 6.1. Un fluido circula con un flujo volumétrico constante de la sección 1 a la sección 2. Es decir, la cantidad de fluido que circula a través de cualquier sección en cierta cantidad de tiempo es constante. Esto se conoce como flujo estable.
p /y es la carga de presión,
z es la carga de elevación,
v^2/2g es la carga de velocidad.
Restricciones
- Es válida sólo para fluidos incompresibles, porque se supone que el peso específico del fluido es el mismo en las dos secciones de interés.
- No puede haber dispositivos mecánicos que agreguen o retiren energía del sistema entre las dos secciones de interés, debido a que la ecuación establece que la energía en el fluido es constante.
- No puede haber transferencia de calor hacia el fluido o fuera de éste.
- No puede haber pérdida de energía debido a la fricción.