Fundamentos de Fluidos: Propiedades, Viscosidad y Comportamiento Hidráulico

Conceptos Fundamentales de Fluidos

Un fluido es una sustancia deformable sin rigidez, cuyas partículas pueden desplazarse bajo esfuerzos muy pequeños.

Diferencias entre Fluidos y Sólidos

• Los sólidos pueden resistir esfuerzos tangenciales con una deformación estática y tienden a restablecer su forma primitiva una vez que cesa la acción que generó su deformación.
• En contraste, los fluidos no tienen capacidad de resistir esfuerzos tangenciales de forma estática, lo que les permite deformarse continuamente bajo su acción.

Propiedades de Gases, Sólidos y Líquidos

Las sustancias gaseosas carecen de rigidez y no tienen volumen definido; pueden ser comprimidas fácilmente y ocupan todo el volumen libre del recipiente que los contiene.

El Fluido como Medio Continuo

Los fluidos están constituidos por un gran número de partículas espaciadas, denominadas moléculas, en movimiento continuo e interactuando entre sí mediante colisiones y fuerzas intermoleculares. Es posible ignorar la naturaleza molecular de la materia y suponerla continua, lo cual se aplica tanto a sólidos como a fluidos. Se supone que la estructura molecular es tan pequeña en relación con las dimensiones consideradas de interés práctico que se la puede ignorar. Esto significa que todas las propiedades del fluido serán continuas, es decir, se asume una distribución continua de materia que no admite espacios ni discontinuidades en la variación de sus propiedades.

Tipos de Fluidos

Un fluido perfecto es aquel que no posee viscosidad y es incompresible.

Conceptos Clave en Fluidos

Una partícula fluida es una porción de fluido, constituida por un número mínimo de moléculas a las cuales es posible aplicar las leyes que rigen su comportamiento.

Sistemas de Unidades y Magnitudes

Un sistema de unidades es un conjunto de unidades para medir magnitudes de entidades físicas que requieren una descripción cuantitativa, representadas por medio de un número y una unidad de medición asociada.

• Una magnitud es la medida de algo conforme a una escala determinada.
• Una dimensión es la longitud, área o volumen de una línea, una superficie o un cuerpo.
• Una unidad es una cantidad que permite establecer comparaciones o mediciones con otras cosas de las mismas características.

Cohesión Molecular y sus Efectos

• En líquidos: Una fuerte cohesión molecular hace que ofrezcan una gran resistencia a los cambios de volumen, les permite adoptar la forma del recipiente que los contiene y forman una superficie libre en el campo gravitatorio.
• Los gases tienen baja cohesión molecular, por lo que carecen de rigidez y no tienen volumen definido.

Unidades de Interés en Hidráulica

Las unidades de mayor interés en hidráulica incluyen:

• Velocidad
• Aceleración
• Trabajo
• Energía
• Cantidad de calor
• Potencia
• Peso
• Fuerza
• Presión

Propiedades Físicas de los Fluidos

El peso específico es el peso de una porción de materia sobre su volumen (G/V).

Viscosidad: Resistencia al Flujo

La viscosidad es la propiedad de los fluidos de oponer resistencia al desplazamiento de sus partículas. El aumento de viscosidad de un fluido determina la menor rapidez con que fluye. La cohesión es la causa predominante de la viscosidad en un líquido. En los gases, el factor predominante es el intercambio molecular.

Efecto de la Temperatura en la Viscosidad

• En líquidos: La viscosidad disminuye debido a que disminuyen las fuerzas cohesivas.
• En gases: La viscosidad aumenta debido a que aumenta el intercambio molecular entre sus partículas.

Diferencia en la Resistencia al Esfuerzo Cortante

• Un sólido puede resistir el esfuerzo cortante con una deformación estática y tiende a restablecer su forma primitiva una vez que cese la acción que generó su deformación.
• En un fluido, un mínimo esfuerzo origina grandes variaciones de forma continua en sus partículas, permitiendo que estas se desplacen unas respecto de las otras.

Fluidos Newtonianos

Los fluidos newtonianos cumplen con la relación lineal entre tensiones tangenciales y gradiente de velocidad, expresada como T = μ · (dv/dt).

El agua y la gasolina son fluidos prácticamente newtonianos.