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MECÁNICA DE FLUIDOS Gustavo Arias 1-12-6240 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS Los fluidos afectan de muchas maneras la vida cotidiana de los seres humanos. Como ejemplo tenemos los tanques de almacenamiento de fluidos, objetos flotantes, sistemas de distribución de agua e los hogares, sistemas que distribuyen fluidos en procesos industriales, sistemas de enfriamiento de vehículos y equipo de manufactura, sistemas de potencia de fluidos y las diferentes partes de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. En el hogar necesitamos agua para beber, cocinar, bañarse, limpiar y regar las plantas, entre otros usos. Además eliminamos los desperdicios de las casas a través de drenajes. En la imagen 1.1 presentamos un sistema común de tubería para fluidos de potencia.

Los fluidos están sujetos a variaciones grandes de presión, en función del sistema en el que se utiliza. La leche contenida en un vaso se halla a la misma presión que ejerce el aire sobre ella. El agua, en el sistema de tuberías domestico, está a una presión más grande que la atmosférica para que salga con rapidez del grifo. Es común que en un sistema de fluido de potencia, el aceite se mantenga a una presión elevada que permita ejercer una enorme fuerza, para que el dispositivo de construcción o los dispositivos/equipos automáticos de una fábrica actúen.

Con frecuencia almacenamos gases como el oxigeno, nitrógeno y helio en cilindros muy resistentes a presión alta, para permitir que haya una cantidad grande en un volumen relativamente pequeño. También es frecuente que en las estaciones de servicio y de manufactura utilicemos aire comprimido, para operar herramientas o inflar llantas. La mecánica de fluidos es el estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos). Los fluidos pueden ser líquidos o gaseosos. Si un líquido se almacena en un contenedor, tiende a adptar la forma de éste, y cubre el fondo y las paredes laterales. Si se mantiene un gas a presión en un recipiente cerrado. Tiende a expandirse y llenarlo por completo. Si el contenedor se abriera, el gas tendería a expandirse aún más y a escapar de él. Otra observación que tenemos que notar es que los gases, por lo general, se comprimen, mientras que los líquidos se comprimen muy poco. Además de estas diferencias familiares entre los gases y los líquidos, existe otra que es importante mencionar en el estudio de la

mecánica de fluidos. Piense en lo que le pasa a un líquido gas cundo se incrementa la presión a que están sujetos. Si hay aire (un gas) dentro de un cilindro equipado con un émbolo móvil y muy ajustado, es posible comprimirlo con mucha facilidad si se le empuja. Tal vez usted haya empleado alguna vez una bomba de mano para inflar las llantas de una bicicleta, una pelota de playa, un colchón de aire o un balón de básquetbol. Conforme se oprime el émbolo el volumen de gas se reduce de manera apreciable, al tiempo que la presión se incrementa Masa: Es la propiedad que tiene un cuerpo de fluido, es la medida de la inercia o resistencia a cambiar el movimiento de éste. También es la medida de la cantidad de fluido. Peso: Es la cantidad que pesa un cuerpo de fluido, es decir; la fuerza con la que el fluido es atraído hacia la Tierra por la acción de la gravedad. Presión: es la cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de una sustancia, o sobre una superficie. Su ecuación es:

Volumen: Se entiende por volumen a una magnitud métrica, euclideana y de tipo escalar, que se puede definir como la extensión de un objeto en sus tres dimensiones, es decir, tomando en cuenta su longitud, ancho y altura. Los cuerpos físicos todos ocupan un espacio, que varía según sus proporciones, y la medida de dicho espacio es el volumen. La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensiones cortantes o tensiones de tracción La viscosidad es una propiedad física característica de todos los fluidos, el cual emerge de las colisiones entre las partículasdel fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia a su movimiento. Cuando un fluido se mueve forzado

por un tubo, las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje longitudinal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Por lo tanto, es necesario que exista una tensión cortante (como una diferencia de presión) para sobrepasar la resistencia de fricción entre las capas del líquido, y que el fluido se siga moviendo por el tubo. La densidad es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia o un objeto sólido . Usualmente se simboliza mediante la letra rho ρ del alfabeto griego. La densidad media es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa en el espacio.

Se llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Su expresión de cálculo es:

Caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal,...) por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.