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MECANICA DE FLUIDOS P
Capítulo 1 https://oa.upm.es/6531/1/amd-apuntes-fluidos.pdf Introducción La mecánica de fluidos es la parte de la física que estudia el comportamiento de los fluidos, tanto en reposo como en movimiento. Tiene una amplia gama de aplicaciones incluido el calculo de fuerzas y movimiento de aeronaves, la determinación del caudal masivo de líquidos a través de tuberías, la predicción de patrones climáticos en evolución, la compresión de nebulosas en el espacio inteste lar, entremiches otras cosas más. Algunos principios de la dinámica de fluidos se utilizan también en la ingeniería de trafico y en la dinámica de multitudes. 1.2 Historia Arquímedes (250 a C) Imperio Romano (470-500 dC.) Leonardo da Vinci (1500 d C después de Cristo) HIDROMECANCA (Matemática) Siglo XVII Y XVIII HIDRAULICA (EXPERIMENTAL) Siglo XX (1904-1905) PRANDTL: TEORICA DE LA CAPA LIMITE
Según la hipótesis del medio continuo, el fluido se considera como un campo continuo en el que cada punto representa un diferencial del volumen lo suficientemente pequeño para ser tratado como un diferencial matemático y lo suficientemente grande para que contenga un gran número de moléculas, además de que el carácter discreto de la materia no se manifieste en él. Como referencia, un volumen de 1 mm^3 se puede contabilizar 10^20 moléculas de un liquido típico. En la ingeniería, las propiedades en la mayoría de las aplicaciones toman valores medios, como ejemplo, la densidad del agua en un vaso es la misma en cualquier punto de su volumen. 1.6 Sistema y volumen de control En la física es una porción pequeña de un todo, que puede variar en tamaño y forma. Así, como sistema se puede considerar a un objeto simple o partícula; a un conjunto de partículas o a una región en el espacio. En la mecánica de fluidos un sistema consiste en una cantidad especifica de un fluido, encerrada en una región del espacio, por una frontera o superficie real o imaginaria que lo separa de su entorno, la frontera puede ser también fijo o móvil, y matemáticamente tiene espesor cero como valor, por lo tanto, no tiene masa ni ocupa espacio. En la mecánica del cuerpo rígido al sistema se conoce como cuerpo libre. Un sistema puede ser cerrado o abierto, cuando se define una masa fija en el espacio o cuando se escoge un volumen fijo en el espacio. En el sistema cerrado de la figura, por ejemplo, ninguna masa puede atravesar su frontera, pero si puede hacerlo la energía e forma de calor y genera entonces un cambio en el volumen del gas. Hay cambio de volumen, pero la masa es invariable. Ese caso de sistema cerrado se estudia en la termodinámica y se denomina también como masa de control. Un sistema abierto o con volumen fijo, se identifica con una región fija en el espacio, definida en forma adecuada, de tamaño diferencial o finito, que permite cruzar tanto masa como energía a través de sus fronteras. Al volumen interno se le denomina volumen de control VC y en las figuras se observa que tanto su tamaño como su forma son constantes, los contornos reales e imaginarios forman la superficie de control SC.
En la hidraulica asi como en mecanica de fluidos, un volumen de control es una abstraccion en el proceso de crear modelos matematicos que describan las leyes de los porcesos fisicos. En un marco de referencia inercial, es un volumen fijo en el espacio o que se mueva con velocidad constante a traves del cual fluye el liquido. 1.7 Dimensiones y sistema de unidades Una dimension se entiende como la forma de caracterizar a una cantidad fisica. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades, y son necesarias para expresar el tamaño de una cantidad medida con respecto a una cantidad conocida. Dimensiones Mecanica de fluidos; M, L, T Y Temperatura; Uidades; Kg, m, s y K} CAPITULO 2 2.1 Introducción Se conoce como propiedad a cualquier característica de un sistema. Las propiedades de los fluidos comprenden propiedades físicas (viscosidad, tensión superficial, presión de vapor), propiedades cinemáticas (como velocidad y aceleración) y propiedades dinámicas (incluyen temperatura, presión, densidad, energía interna, entalpia, entropía, entre otros) En general para todas las propiedades se cumple: Un medio material es homogéneo si tiene las mismas propiedades en todos sus puntos. Un material es isotrópico cuando la propiedad es estudiada es la misma en todas las direcciones en algún punto del medio. 2.2 Clase de propiedades Las propiedades pueden clasificarse como intensivas o extensivas. Se entiende que una propiedad es intensiva cuando es independiente de la masa de un sistema, por ejemplo, la densidad, el peso específico, el volumen especifico, la presión y la temperatura. En cambio, como propiedad extensiva puede definirse a aquella que no depende del tamaño o extensión del sistema, por ejemplo, la masa, el volumen total y la cantidad de movimiento, entre otras.
A 4 grados centígrados la densidad del agua es 1000 (kg/m^3)=1(g/cm^3) Densidad relativo o gravedad especifica 2.3.3 Compresibilidad y elasticidad Todos los fluidos pueden ser comprimidos por la aplicación de una fuerza externa, la misma que al ser retirada permite al volumen comprimido regresar a su tamaño original. Los fluidos al igual que los sólidos poseen características elásticas. La compresibilidad de un fluido se expresa cuantitativamente como el inverso del módulo de elasticidad volumétrico K del fluido, se define a la vez como: El módulo de elasticidad volumétrico es una medida de la capacidad de un líquido para almacenar energía elástica, cuando es sometido a compresión. La energía se devuelve en la medida en que se disminuye la compresión. Por otro lado, la compresibilidad o coeficiente de compresibilidad Beta es el reciproco del modulo volumétrico de elasticidad, y representa el cambio relativo de volumen en un fluido por unidad de presión aplicada.
GOLPE DE ARIETE; WATER HAMMER
Este fenómeno hidráulico se presenta por las rápidas fluctuaciones en el flujo del agua, debido a la operación de bombas o la manipulación de válvulas, que resulta en variaciones de presión, por encima o debajo de la presión de trabajo o de operación, y n cambios bruscos en la velocidad del flujo. Cualquier perturbación en la presión de un fluido se propaga en forma de ondas.
Por medios experimentales, se ha determinado que el esfuerzo cortante T tao, es proporcional a la tasa de deformación por corte. la constante de proporcionalidad es la viscosidad (u) y se obtiene la ley de la viscosidad de newton. Gradiente de velocidad y perfil de velocidad
Según la ley de Newton, se pueden representar los siguientes casos de valor nulo para el esfuerzo cortante:
- Fluido no viscoso
- Distribución de velocidades uniforme, entonces el gradiente de velocidades es nulo.
- Flujo turbulento, el efecto viscoso es despreciable.
- Liquido en reposo, velocidad nula y el gradiente de velocidad es también nula. Cuando los fluidos cumplen la ley de newton, u constante en el tiempo, se llama fluidos newtonianos. Por ejemplo, el agua, el aire, la mayor parte de los gases y en general los fluidos de pequeña viscosidad. Fluido ideal; el que no esta expuesto a ningún esfuerzo cortante. Los plásticos, pueden soportar un cierto cortante antes de comenzar a fluir.
