Mecánica de Fluidos: Conceptos Fundamentales y Principios
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Mecánica de Fluidos
Introducción
En este documento, se explorarán los conceptos fundamentales y principios relacionados con la mecánica de fluidos. Se abordarán temas como la viscosidad, la presión, la tensión superficial, el principio de Arquímedes, el principio de Pascal, el caudal, los diferentes tipos de flujo y la ecuación de Bernoulli.
Fluidos
Un fluido es una sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene.
Viscosidad
La viscosidad es el coeficiente de fricción interna del fluido. La viscosidad cinemática interviene junto a las fuerzas debidas a la viscosidad y las fuerzas de inercia, que dependen de la densidad.
Principio de Pascal
El Principio de Pascal establece que toda presión ejercida en un punto de un líquido se transmite íntegramente y en todas las direcciones.
P = F/A, donde:
- P: Presión
- F: Fuerza
- A: Área
Presión de Vapor
La presión de vapor es la presión que ejercen las moléculas de vapor en equilibrio con el líquido mismo a una determinada temperatura.
Tensión Superficial
La tensión superficial es una fuerza que produce efectos de tensión en la superficie de los líquidos.
Elevación Capilar
La elevación capilar es una consecuencia de la tensión superficial y de la adhesión. La adhesión atrae las moléculas de agua a los lados del tubo, y la cohesión (tensión superficial) empuja esta columna hacia arriba.
Principio de Arquímedes
El Principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido en el seno de un líquido recibe un empuje de abajo hacia arriba que es igual al peso del líquido desalojado.
- A) Si W > E, el cuerpo se hunde totalmente.
- B) Si W < E, el cuerpo flota.
Esfuerzo de Tensión sobre un Tubo
Fh = P * 2 * r * 1m = F1 + F2 = 2F
Donde:
- P: Presión interior
- r: Radio del tubo
- F: Fuerza
- G: Esfuerzo de tensión
- e: Espesor del tubo
- σ: Tensión admisible
Se tiene que: G = F / (e * 1m) = (P * r) / e y e = (P * r) / σ
Tipos de Flujo
Flujo Permanente
Un flujo permanente se da cuando en cualquier punto del espacio por donde circula un fluido, las características de este no varían con el tiempo (velocidad, presión), aunque varíen de un punto a otro.
Flujo No Permanente
Un flujo no permanente se da cuando las características del fluido varían con el tiempo. En este caso, el caudal depende de la posición y el tiempo.
Flujo Uniforme
Un flujo uniforme se da cuando en cualquier sección transversal a la corriente, la velocidad en dos puntos homólogos (en magnitud y dirección) es la misma, aunque la velocidad en la misma sección transversal varíe de un punto a otro. Puede ser permanente o variable.
Flujo No Uniforme
Un flujo no uniforme se da cuando la velocidad en dos puntos homólogos de una sección transversal no es la misma. Puede ser permanente o variable.
Flujo Laminar
En un flujo laminar, el fluido se mueve en láminas paralelas (si la corriente tiene lugar en dos planos paralelos). Depende de la velocidad.
Flujo Turbulento
En un flujo turbulento, el movimiento del fluido es caótico y no se mueve en láminas paralelas (canal con gran pendiente).
Línea de Corriente
Una línea de corriente es una curva tangente a los vectores de velocidad en cada punto. En régimen permanente, la línea de corriente coincide con la trayectoria de una partícula. En régimen variable, varía de un instante a otro.
Caudal
El caudal es el volumen de fluido que pasa a través de una sección transversal de la corriente por unidad de tiempo.
Ecuación de Bernoulli
La ecuación de Bernoulli se basa en el principio de conservación de la energía. Con ella se expresa la interdependencia recíproca de las presiones y las velocidades a lo largo de la trayectoria de una partícula. Para demostrarla, se considera un líquido perfecto (sin viscosidad e incompresible) animado de un movimiento permanente.