Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Principios

Introducción a la Mecánica de Fluidos

El término fluido se designa indistintamente a líquidos y gases. Los átomos o moléculas que los forman tienen una gran libertad de movimiento. En los líquidos, esta libertad no es completa y depende de su viscosidad, originada por el rozamiento de las moléculas. Los líquidos son difícilmente compresibles debido a la aparición de poderosas fuerzas repulsivas cuando sus moléculas están muy próximas. En los gases, las moléculas tienen total libertad de movimiento, ocupando el espacio que los contiene; asimismo, su densidad es menor.

Fluidos Perfectos vs. Fluidos Reales

Un fluido perfecto carece de viscosidad. Este es un caso ideal, en contraposición a los fluidos reales, que son más o menos viscosos. La mecánica de fluidos estudia estas sustancias, dividiéndose en:

• Hidrostática: Estudia los fluidos en reposo.
• Hidrodinámica: Estudia los fluidos en movimiento.

Cuando se trata exclusivamente de gases, y más concretamente del aire, estas dos partes se llaman aerostática y aerodinámica, respectivamente.

Presión en un Fluido

La presión se define como la fuerza por unidad de superficie. Si la superficie es tan pequeña que tiende a convertirse en un punto y sobre ella actúa una fuerza perpendicular, se habla de presión. Las unidades de presión son: dina/cm² (baria), N/m² y kp/m². También se utilizan kp/cm² (atmósfera técnica) y la atmósfera física (atm), que es la presión ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de altura a 0 °C y al nivel del mar.

En un fluido en reposo, las fuerzas que el resto del fluido ejerce sobre una porción de volumen son normales a su superficie. Si hubiera alguna fuerza tangencial, provocaría un desplazamiento de ese elemento de volumen y el fluido dejaría de estar en reposo.

Ecuación Fundamental de la Hidrostática

La ecuación fundamental de la hidrostática establece que la presión en cualquier punto del líquido es igual a la presión en su superficie más el peso de la columna de líquido sobre ese punto. Si el fluido es un gas y la altura no es muy grande, su densidad puede aproximarse a cero, resultando la presión constante en cualquier punto del recipiente. Para grandes alturas, considerando la ecuación de estado de los gases perfectos, se obtiene una expresión más precisa.

Ecuación Barométrica

La ecuación barométrica permite determinar la presión atmosférica en función de la altura y la temperatura. La existencia de la presión atmosférica fue demostrada por Torricelli. La presión se mide con instrumentos llamados manómetros.

Principio de Pascal

El principio de Pascal establece que la presión aplicada a un punto de un fluido incompresible se transmite por igual a los demás puntos del mismo.

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido en un fluido sufre un empuje hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desalojado. El peso aparente de un cuerpo es la diferencia entre su peso real y el empuje del fluido.

Movimiento Estacionario

En un movimiento estacionario, la velocidad de las partículas en un punto fijo del fluido es constante a lo largo del tiempo. Las partículas siguen la misma trayectoria entre dos puntos fijos, llamadas líneas de corriente. Si la velocidad varía con el tiempo, el movimiento no es estacionario. Un fluido es rotacional si presenta giros y irrotacional en caso contrario. Un fluido incompresible tiene densidad constante, mientras que un fluido compresible tiene densidad variable.

Ecuación de Continuidad y Gasto

Un tubo de corriente es un conjunto de líneas de corriente. El fluido solo puede entrar por un extremo y salir por el otro. La presión dinámica es la debida a la velocidad, mientras que la presión estática es la debida a la altura.

Teorema de Bernoulli

El teorema de Bernoulli establece que en un fluido perfecto, incompresible y en movimiento estacionario, la suma de la presión, la presión dinámica y la presión estática es constante. Una aplicación de este teorema es el teorema de Torricelli.

Viscosidad

La viscosidad es la resistencia de un fluido a desplazarse o al movimiento de un sólido en su interior, debido al rozamiento de sus moléculas.

Régimen Laminar y Turbulento

Un fluido se desplaza en régimen laminar cuando sus líneas de corriente son paralelas.