Esta revista técnica está diseñada para la comodidad del alumnado para desarrollar las técnicas aplicables en el proceso de estudio de la mecánica de fluido en sus diferentes ramas.

Prof.: Edwin Blanco

La Mecánica de fluidos La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos, rama de la física a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que lo provocan.1 La característica fundamental que define a los fluidos

es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.

Índice 1 Hipótesis básicas.

o 1.1 Hipótesis del medio continuo o 1.2 Concepto de partícula fluida o 1.3 Descripciones Lagrangiana y euleriana del movimiento de un fluido

2 Ecuaciones generales de la mecánica de fluidos 3 Véase también 4 Referencias 5 Enlaces externos

Hipótesis básicas. Como en todas las ramas de la ciencia, en la mecánica de fluidos se parte de hipótesis en función de las cuales se desarrollan todos los conceptos. En particular, en la mecánica de fluidos se asume que los fluidos verifican las siguientes leyes:

conservación de la masa y de la cantidad de movimiento. primera y segunda ley de la termodinámica.

Hipótesis del medio continúo

La hipótesis del medio continuo es la hipótesis fundamental de la mecánica de fluidos y en general de toda la mecánica de medios continuos. En esta hipótesis se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con esta hipótesis se puede considerar que las propiedades del fluido (densidad, temperatura, etc.) son funciones continuas.

La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en comparar el camino libre medio de las moléculas con la longitud característica del sistema físico. Al cociente entre estas longitudes se le denomina número de Knudsen. Cuando este número adimensional es mucho menor a la unidad, el material en cuestión puede considerarse un fluido (medio continuo). En el caso contrario los efectos debidos a la naturaleza molecular de la materia no pueden ser despreciados y debe utilizarse la mecánica estadística para predecir el comportamiento de la materia. Ejemplos de situaciones.

Donde la hipótesis del medio continuo no es válida pueden encontrarse en el estudio de los plasmas

Concepto de partícula fluida

Este concepto está muy ligado al del medio continuo y es sumamente importante en la mecánica de fluidos. Se llama partícula fluida a la masa elemental de fluido que en un instante determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa elemental ha de ser lo suficientemente grande como para contener un gran número de moléculas, y lo suficientemente pequeña como para poder considerar que en su interior no hay variaciones de las propiedades macroscópicas del fluido, de modo que en cada partícula fluida podamos asignar un valor a estas propiedades. Es importante tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la velocidad macroscópica del fluido, de modo que está siempre formada por las mismas moléculas. Así pues un determinado punto del espacio en distintos instantes de tiempo estará ocupado por distintas partículas fluidas.

Descripciones lagrangiana y euleriana del movimiento de un fluido

A la hora de describir el movimiento de un fluido existen dos puntos de vista. Una primera forma de hacerlo es seguir a cada partícula fluida en su movimiento, de manera que buscaremos unas funciones que nos den la posición, así como las propiedades de la partícula fluida en cada instante. Ésta es la descripción Lagrangiana. Una segunda forma es asignar a cada punto del espacio y en cada instante, un valor para las propiedades o magnitudes fluidas sin importar que en ese instante, la partícula fluida ocupe ese volumen diferencial. Ésta es la descripción Euleriana, que no está ligada a las partículas fluidas sino a los puntos del espacio ocupados por el fluido. En esta descripción el valor de una propiedad en un punto y en un instante determinado es el de la partícula fluida que ocupa dicho punto en ese instante.

La descripción euleriana es la usada comúnmente, puesto que en la mayoría de casos y aplicaciones es más útil. Usaremos dicha descripción para la obtención de las ecuaciones generales de la mecánica de fluidos.

Ecuaciones generales de la mecánica de fluidos Artículo principal: Ecuaciones de Navier-Stokes

Las ecuaciones que rigen toda la mecánica de fluidos se obtienen por la aplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema del transporte de Reynolds y el teorema de la divergencia (o teorema de Gauss) para obtener las ecuaciones en una forma más útil para la formulación euleriana.

Las tres ecuaciones fundamentales son: la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la energía. Estas ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de Navier-Stokes (las ecuaciones de Euler son un caso particular de la ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos sin viscosidad).

No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos se estudian estas ecuaciones buscando simplificaciones que faciliten la resolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir

:

a soluciones numéricas generadas por ordenador. A esta rama de la mecánica de fluidos se la denomina mecánica de fluidos computacional. Las ecuaciones son las siguientes:

Ecuación de continuidad:

-Forma integral:

-Forma diferencial:

Ecuación de cantidad de movimiento:

-Forma integral:

-Forma diferencial:

Ecuación de la energía

-Forma integral:

-Forma diferencial:

Para un desarrollo más profundo de estas ecuaciones ver el artículo ecuaciones de Navier-Stokes

TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN

UNIDAD I PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Al finalizar la unidad el alumno podrá analizar los conceptos y propiedades de los fluidos en general.

1) Definir qué se entiende por Fluido. 2) Como se clasifican los fluidos. 3) Cuál es la importancia del estudio de la mecánica los fluidos. 4) Cuáles son las unidades básicas utilizadas en la mecánica de los fluidos. Sistemas de

referencia. 5) Cuáles son las propiedades de los fluidos relacionadas con la masa o el peso. 6) Que se entiende por continuidad térmica. 7) Que se entiende por viscosidad estática. 8) Que se entiende por conductividad térmica. 9) Que se entiende por tensión superficial. 10) Que se entiende por presión de vapor.

UNIDAD II ESTATICA DE LOS FLUIDOS

Al finalizar la unidad el alumno podrá aplicar las ecuaciones básicas de la fluido estática al igual que las ecuaciones de la Atmósfera Standard, en superficies planas y curvas sumergidas o en flotación.

1) Definir las ecuaciones básicas de la estática de los fluidos. 2) Identificar las fuerzas de un fluido en reposo sobre superficies planas y curvas. 3) Estudiar las leyes de flotación. 4) Determinar la variación de presión de un fluido en posición respecto a la altura. 5) Determinar las fuerzas actuales sobre cuerpos sumergidos en fluidos en reposo. 6) Defina y explique Presión en un punto. Ecuaciones básicas de la estática de

fluidos. 7) Cuáles son las Unidades y escalas de medición de presión. 8) Explique: Variación de la presión atmosférica con la altura. La Atmósfera

Standard. Fuerzas de un fluido en reposo sobre superficies planas y curvas. 9) Nombre y explique las Leyes de flotación. Equilibrio relativo. Aceleración

uniforme y rotación uniforme respecto a un eje vertical. Principio de Arquímedes.

UNIDAD III

FUNDAMENTOS DE LOS FLUIDOS

Al finalizar la unidad el alumno deberá analizar las características del advimiento de los fluidos y las causas que originan este advimiento.

1) Como podemos definir línea de corriente dentro del estudio de la mecánica de fluido.

2) Explique y analiza las trayectorias de la corriente de fluidos 3) Explique la ecuación de la continuidad 4) Explique los movimientos existente de un fluido dentro de un sistema 5) Describa un significado práctico de: Red de corriente. 6) Cuáles son las ecuaciones por la que se rige el movimiento de los fluidos. 7) Que significa la palabra advimiento 8) Quien fue Euler y explique su teorema. 9) Quien fue Bernoulli y explique su teorema. 10) Explique: Líneas de altura total piezometrica.

Ecuación de la cantidad de movimiento y sus aplicaciones

UNIDA IV FLUJO DE CANALES ABIERTOS

Al finalizar la unidad el alumno será capaz de analizar el flujo en canales abiertos.

1) Que se entiende por Canal abierto. 2) Cuáles son los tipos de flujo existentes en un fluido, sus características y

propiedades. 3) Explique; fórmula de Chezy,Perdidas de carga, 4) Analizar el comportamiento del flujo en condiciones atmosféricas.

UNIDAD V FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS

Al finalizar el alumno analizará el comportamiento del flujo real de tubería.

1) Explique la diferencia entre flujo laminar y flujo turbulento. 2) Identifique los factores de fricción. 3) Explique; coeficiente de fricción, velocidad critica, numero de Reynolds,

rugosidad relativa, Ecuación de Darcy, Perdida de energía por fricción

Estrategias Metodológicas 1) Revisión de conocimientos anteriores. 2) Explicación y presentación del tema, por parte del docente. 3) Intercambio de ideas con los estudiantes. Procesamiento de dudas 4) Trabajo en equipo y talleres para analizar y resolver problemas de

cálculo.

INSTRUMENTOS DE MEDICION SUGERIDAS Evaluación formativa cualitativa basada en criterios de desempeño de las competencias. Evaluación de la participación de los alumnos, producto del trabajo en equipo. Portafolio. Evaluación de la participación individual.

Prof.: Edwin Blanco