Ensayo Mecnica de FluidosMecnica de fluidos, es la parte de la fsica que se ocupa de la accin de los fluidos en reposo o en movimiento, as como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniera que utilizan fluidos. La mecnica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronutica, la ingeniera qumica, civil e industrial, la meteorologa, las construcciones navales y la oceanografa.La mecnica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la esttica de fluidos, o hidrosttica, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinmica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El trmino de hidrodinmica se aplica al flujo de lquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinmica, o dinmica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presin son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.Entre las aplicaciones de la mecnica de fluidos estn la propulsin a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidrulica estudia la utilizacin en ingeniera de la presin del agua o del aceite.

La mecnica de fluidos podra aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia antigua en origen y realizaciones, pero es ms que eso, corresponde a un enfoque especial para estudiar el comportamiento de loslquidos y los gases.Los principios bsicos de l movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a travs de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos cientficos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes tericos a lo que se denomina hidrodinmica. Tambin en el campo de hidrulica experimental hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente durante el siglo XIX.Hacia finales del siglo XIX la hidrodinmica y la hidrulica experimental presentaban una cierta rivalidad. Por una parte, la hidrodinmica clsica aplicaba con rigurosidad principios matemticos para modelar el comportamiento de los fluidos, para lo cual deba recurrir a simplificar las propiedades de estos. As se hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran siempre aplicables a casos reales. Por otra parte, la hidrulica experimental acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar importancia a al formulacin de una teora rigurosa.La Mecnica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo para unir estas dos tendencias: experimental y cientfica. Generalmente se reconoce como fundador de la mecnica de fluidos modela al alemn L. Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente joven ala cual aun hoy seestn haciendo importantes contribuciones.La referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la mecnica de fluidos como un estudio cientfico datan segn sus investigaciones de la antigua Grecia en el ao 420 a.C. hechos por Tales de Mileto y Anaximenes; que despus continuaran los romanos y se siguiera continuando el estudio hasta el siglo XVII.Para clasificar a los materiales que se encuentran en la naturaleza se pueden utilizar diversos criterios. Desde el punto de vista de la ingeniera, uno de los ms interesantes lo constituye aquel que considera el comportamiento de los elementos frente a situaciones especiales. De acuerdo a ello se definen los estados bsicos de slido, plstico, fluidos y plasma. De aqu la de definicin que nos interesa es la de fluidos, la cual se clasifica en lquidos y gases.La clasificacin de fluidos mencionada depende fundamentalmente del estado y no del material en si. De esta forma lo que define al fluido es su comportamiento y no su composicin. Entre las propiedades que diferencian el estado de la materia, la que permite una mejor clasificaron sobre le punto de vista mecnico es la que dice la relacin con la forma en que reacciona el material cuando se le aplica una fuerza.Los fluidos reaccionan de una manera caracterstica a las fuerzas. Si se compara lo que ocurre a un slido y a un fluido cuando son sometidos a un esfuerzo de corte o tangencial se tienenreacciones caractersticas que se pueden verificar experimentalmente y que permiten diferenciarlos.Con base al comportamiento que desarrollan los fluidos se definen de la siguiente manera: "Fluido es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando esta sometido a un esfuerzo de corte o tangencial". De esta definicin se desprende que un fluido en reposo no soporta ningn esfuerzo de corte.Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades fsicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento as como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son tpicas de todas las sustancias. Caractersticas como la viscosidad, tensin superficial y presin de vapor solo se pueden definir en los lquidos y gasas. Sin embargo la masa especfica, el peso especfico y la densidad son atributos de cualquier materia.Se denomina masa especfica a la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia. Se designa por P y se define: P = lim ( m/ v)El peso especfico corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por . La masa y el peso especfico estn relacionados por: = gPDonde g representa la intensidad del campo gravitacional.Se denomina densidad a la relacin que exista entre la masa especfica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los lquidos se utiliza la masaespecifica del agua a 4C como referencia, que corresponde a 1g/cm3 y para los gases se utiliza al aire con masa especifica a 20C 1 1,013 bar de presin es 1,204 kg/m3.La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Esta ligada a la resistencia que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y slidos. Adems los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relacin que exista entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformacin.Supngase que se tiene un fluido entre dos placas paralelas separada a una distancia pequea entre ellas, una de las cuales se mueve con respecto de la otra. Esto es lo que ocurre aproximadamente en un descanso lubricado. Para que la palca superior se mantenga en movimiento con respecto ala inferior, con una diferencia de velocidades V, es necesario aplicar una fuerza F, que por unidad se traduce en un esfuerzo de corte, = F / A, siendo A el rea de la palca en contacto con el fluido. Se puede constatar adems que el fluido en contacto con la placa inferior, que esta en reposo, se mantiene adherido a ella y por lo tanto no se mueve. Por otra parte, el fluido en contacto con la placa superior se mueve ala misma velocidad que ella. Si el espesor del fluido entre ambas placas es pequeo, se puede suponer que la variacin de velocidades en su interiores lineal, de modo que se mantiene la proporcin:dv / dy = V/yLos fluidos en fase liquida o gaseosa dependiendo de las condiciones en que se encuentren. Las sustancias puras pueden pasar por las cuatro fases, desde slido a plasma, segn las condiciones de presin y temperatura a que estn sometidas. Se acostumbra designar lquidos a aquellos materias que bajo las condicione normales de presin y temperatura en que se encuentran en la naturaleza estn en esa fase.Cuando un liquido se le disminuye la presin a la que esta sometido hasta llegar a un nivel en el que comienza a bullir, se dice que alcanzado la presin de vapor. Esta presin depende de la temperatura. As por ejemplo, para el agua a 100C, la presin es de aproximadamente de 1 bar, que equivale a una atmsfera normal. La presin de vapor y la temperatura de ebullicin estn relacionadas y definen una lnea que separa y el lquido de una misma sustancia en un grafico de presin y temperatura.El principio de Arqumedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qu flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.El punto sobre el que puede considerarse que actan todas las fuerzas que producen el efecto de flotacin se llama centro de flotacin, ycorresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotacin de un cuerpo que flota est situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.El principio de Arqumedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso ser igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si ste est totalmente sumergido. As puede determinarse fcilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una precisin muy elevada, tambin hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.Para el autor John Muller, Arqumedes fuel mas grande investigador de mecnica de fluidos de todos los tiempos; ya que el fue quien descubri las propiedades de los fluidos sometidos a diversas circunstancias. Adems el desarrollo como nadie mas, le mayor numero de postulados fundamentales acerca del tema.Para el autor Fay A. James un fluido es una sustancia que escurre o se deforma continuamente, cuando esta sometido a un esfuerzo de corte tangencial en reposo solo soporta esfuerzos normales.La mecnica de los fluidos estudia el comportamiento de estos como un medio continu, sin considerar lo que ocurre anivel de sus molculas. Se definen como propiedades intensivas a las que no dependen de la cantidad de materia comprometida, y extensivas a las que dependen.Para cuantificar el comportamiento de los fluidos se utiliza n ciertas magnitudes de referencia para las dimensiones bsicas. Para ello se utiliza l Sistema Internacional de Medidas, el cual se basa en el sistema MKS. Las unidades bsicas son: el metro, el segundo, el kilogramo y el grado kelvin. La unidad de fuerza es el newton.Los fluidos tienen dos propiedades mecnicas: masa especfica y peso especfico. La propiedad ms importante para los fluidos es la viscosidad, adema tiene otras propiedades como: la compresibilidad, calor especfico y tensin superficial.Segn el investigador John Miller: "La esttica de los fluidos estudia las condiciones de equilibrio bajo las cuales un fluido esta en reposo", sabiendo que para ello se requiere que todos los elementos que lo forman se muevan ala misma velocidad, es decir que no se desplacen los unos a los otros y por lo tanto no halla escurrimiento. El fluido esta entonces detenido o se mueve como si fuera un cuerpo rgido sin deformarse. La ausencia de escurrimiento, y por lo tanto de deformacin angular, lleva implcita la ausencia de corte.Bajo estas condiciones, sobre las superficies que estn en contacto con el fluido solo se desarrollan esfuerzos normales. Debido a al ausencia de esfuerzos tangenciales laviscosidad no tiene importancia, de modo que los principios de la hidrosttica son aplicable a cualquier tipo de fluido viscoso o real, ideal o perfecto.Una caracterstica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier partcula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la partcula se desplazara en la direccin de la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie la presin que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presin no fuera perpendicular, la fuerza tendra una componente tangencial no equilibrada y el fluido se movera a lo largo de la pared.Este concepto fue formulado por primera vez en una forma un poco ms amplia por el matemtico y filsofo francs Blaise Pascal en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicho principio, que tiene aplicaciones muy importantes en hidrulica, afirma que la presin aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presin debidas al peso del fluido y a la profundidad.Cuando la gravedad es la nica fuerza que acta sobre un lquido contenido en un recipiente abierto, la presin en cualquier punto del lquido es directamente proporcional al pesode la columna vertical de dicho lquido situada sobre ese punto. La presin es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamao o forma del recipiente. As, la presin en el fondo de una tubera vertical llena de agua de 1 cm. de dimetro y 15 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 15 m de profundidad. De igual forma, si una tubera de 30 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior est slo a 15 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercer la misma presin sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubera sea mucho mayor que la altura de la tubera vertical. Veamos otro ejemplo: la masa de una columna de agua dulce de 30 cm. de altura y una seccin transversal de 6,5 cm.2 es de 195 g, y la fuerza ejercida en el fondo ser el peso correspondiente a esa masa. Una columna de la misma altura pero con un dimetro 12 veces superior tendr un volumen 144 veces mayor, y pesar 144 veces ms, pero la presin, que es la fuerza por unidad de superficie, seguir siendo la misma, puesto que la superficie tambin ser 144 veces mayor. La presin en el fondo de una columna de mercurio de la misma altura ser 13,6 veces superior, ya que el mercurio tiene una densidad 13,6 veces superior a la del agua.El segundo principio importante de la esttica de fluidos fue descubierto por el matemtico yfilsofo griego Arqumedes. El principio de Arqumedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qu flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.El punto sobre el que puede considerarse que actan todas las fuerzas que producen el efecto de flotacin se llama centro de flotacin, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotacin de un cuerpo que flota est situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.El principio de Arqumedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso ser igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si ste est totalmente sumergido. As puede determinarse fcilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una precisin muy elevada, tambin hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.Una de las leyes fundamentales que rigen el movimiento de los fluidos es el teorema de Bernoulli, que relaciona unaumento en la velocidad de flujo con una disminucin de la presin y viceversa. El teorema de Bernoulli explica, por ejemplo, la fuerza de sustentacin que acta sobre el ala de un avin en vuelo. Un ala o plano aerodinmico est diseada de forma que el aire fluya ms rpidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminucin de presin en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentacin que mantiene el avin en vuelo. Los coches de carrera son muy bajos con el fin de que el aire se desplace a gran velocidad por el estrecho espacio entre la carrocera y el suelo. Esto reduce la presin debajo del vehculo y lo aprieta con fuerza hacia abajo, lo que mejora el agarre. Estos coches tambin llevan en su parte trasera un plano aerodinmico con forma de ala invertida para aumentar la fuerza contra el suelo. La vela de un balandro en movimiento tambin constituye un plano aerodinmico. Otro aspecto importante de la aerodinmica es la resistencia al avance que experimentan los objetos slidos que se mueven a travs del aire. Por ejemplo, las fuerzas de resistencia que ejerce el aire que fluye sobre un avin deben ser superadas por el empuje del reactor o de las hlices. La resistencia al avance puede reducirse significativamente empleando formas aerodinmicas. Segn el autor James A. Fay: "Cuando el objeto no es totalmenteaerodinmico, la resistencia aumenta de forma aproximadamente proporcional al cuadrado de su velocidad con respecto al aire". Por ejemplo, la potencia necesaria para propulsar un coche que avanza de forma uniforme a velocidades medias o altas se emplea fundamentalmente en superar la resistencia del aire.Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a travs de tuberas fueron realizados independientemente en 1839 por el fisilogo francs Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las caractersticas del flujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidrulico alemn Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemticas se debi al ingeniero francs Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemtico britnico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccion las ecuaciones bsicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que slo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a travs de una tubera recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aqu, porque parte de la energa mecnica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una cada de presin a lo largo de la tubera. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubera y unfluido determinados, esta cada de presin debera ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto slo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la cada de presin era ms bien proporcional al cuadrado de la velocidad. Este problema no se resolvi hasta 1883, cuando el ingeniero britnico Osborne Reynolds demostr la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberas. A velocidades bajas, las partculas del fluido siguen las lneas de corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales coinciden con las predicciones analticas. A velocidades ms elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente. Reynolds tambin determin que la transicin del flujo laminar al turbulento era funcin de un nico parmetro, que desde entonces se conoce como nmero de Reynolds. Si el nmero de Reynolds que carece de dimensiones y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el dimetro de la tubera dividido entre la viscosidad del fluido es menor de 2.100, el flujo a travs de la tubera es siempre laminar; cuando los valores son ms elevados suele ser turbulento. El concepto de nmero de Reynolds es esencial para gran parte de la moderna mecnica de fluidos.Segn James A. Fay: "Los flujos turbulentosno se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su anlisis depende de una combinacin de datos experimentales y modelos matemticos"; gran parte de la investigacin moderna en mecnica de fluidos est dedicada a una mejor formulacin de la turbulencia. Puede observarse la transicin del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de lneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados.

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