Fluidos Universidad Central de Venezuela Facultad de Ciencias Escuela de Física José Luis Michinel.

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1 Fluidos Universidad Central de Venezuela Facultad de Ciencias Escuela de Física José Luis Michinel

2 Arquímedes Notable matemático e inventor griego, que escribió importantes obras sobre geometría plana y del espacio, aritmética y mecánica. Nació en Siracusa (287– 212 a.C.), Sicilia, y se educó en Alejandría, Egipto. En el campo de las matemáticas puras, se anticipó a muchos de los descubrimientos de la ciencia moderna, como el cálculo integral, con sus estudios de áreas y volúmenes de figuras sólidas curvadas y de áreas de figuras planas. Demostró también que el volumen de una esfera es dos tercios del volumen del cilindro que la circunscribe. En mecánica, Arquímedes definió la ley de la palanca y se le reconoce como el inventor de la polea compuesta. Durante su estancia en Egipto inventó el ‘tornillo sin fin’ para elevar el agua de nivel. Arquímedes es conocido sobre todo por el descubrimiento de la ley de la hidrostática, el llamado principio de Arquímedes, que establece que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso igual al peso del volumen del fluido que desaloja (véase Mecánica de fluidos). Se dice que este descubrimiento lo hizo mientras se bañaba, al comprobar cómo el agua se desplazaba y se desbordaba. Arquímedes pasó la mayor parte de su vida en Sicilia, en Siracusa y sus alrededores, dedicado a la investigación y los experimentos. Aunque no tuvo ningún cargo público, durante la conquista de Sicilia por los romanos se puso a disposición de las autoridades de la ciudad y muchos de sus instrumentos mecánicos se utilizaron en la defensa de Siracusa. Entre la maquinaria de guerra cuya invención se le atribuye está la catapulta y un sistema de espejos —quizá legendario— que incendiaba las embarcaciones enemigas al enfocarlas con los rayos del sol. Al ser conquistada Siracusa, durante la segunda Guerra Púnica, fue asesinado por un soldado romano que le encontró dibujando un diagrama matemático en la arena. Se cuenta que Arquímedes estaba tan absorto en las operaciones que ofendió al intruso al decirle: "No desordenes mis diagramas". Todavía subsisten muchas de sus obras sobre matemáticas y mecánica, como el Tratado de los cuerpos flotantes, El arenario y Sobre la esfera y el cilindro. Todas ellas muestran el rigor y la imaginación de su pensamiento matemático.

3 Contenido 1) ¿Qué es un fluido? Importancia de los fluidos. 2) Hidrostática: Densidad. Presión de un fluido. Módulo de compresibilidad Principio de Pascal. Principio de Arquímedes 3) Hidrodinámica: Ecuación de Continuidad. Ecuación de Bernoulli

4 ¿Qué es un fluido? 1) Es un sistema de partículas que incluye líquidos y gases: Los líquidos fluyen, bajo la acción de la gravedad, hasta ocupar la posición más baja del recipiente que lo contiene; los gases se expanden hasta llenar su recipiente. 2) En un gas la distancia intermolecular es >> que el tamaño de las molecular, las moléculas interactúan poco; en los líquidos la moléculas actúan más unidas y ejercen fuerzas entre ellas (con magnitudes equivalentes a las que se ejercen entre los átomos); las moléculas de los líquidos forman, transitoriamente, enlaces de corto alcance que se regeneran (los enlaces) continuamente. La fuerza de los enlaces depende del tipo de molécula. 3) Importancia de los fluidos: en nuestro cuerpo y en la naturaleza.

5 Tipos de estudios cinemáticos 1) En reposo ----> Hidrostática. 2) En movimiento (hidrodinámica) y de flujo estacionario laminar.

6 Densidad Densidad ρ  M/V Densidad específica ρ esp = ρ/ρ agua Gases  ρ = ρ (T, P) Líquidos  ρ = Cte

7 Presión y compresibilidad de un fluido Presión P  F ┴ / A Unidades Pa= N/m 2 1 atm = 101,325 kPa Módulo de Compresibilidad Diferencia de Presión Disminución relativa de volumen ∆P |∆V/V| B  = B= B(P,T) para gases B>>, para líquidos Líquido

8 Principio de Pascal w = mg = (ρV)g = ρA∆yg PA - P o A = w = ρA∆yg (P – P o ) A = ρgA∆y (P – P o ) = ρg∆y P = P o + ρg∆y ∆ P = -ρg∆y ∆y∆y P PoPo A y

9 Manómetro y barómetro P manométrica = P – P Atm = ρgh P atm = ρ Hg gh A nivel del mar ρ Hg = 13,6 x10 3 kg/m 3 h = 760 mm ManómetroBarómetro de Hg P Atm = 1 atm= 760 mmHg = 760 torr h Hg

10 Principio de Arquímedes Si se sumerge total o parcialmente un cuerpo en un fluido, el cuerpo experimentará una fuerza vertical y ascendente de magnitud igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo. Esa fuerza es llamada empuje E. E  (ρ fluido V sumergido g) j ^ E = (F2 – F1) j ^ E mg yy Si se sustituye el cuerpo por un volumen de fluido, de la misma forma del cuerpo, permanecerá en equilibrio. w f = (F2 – F1) j ^  E = w f

11 Hidrodinámica Fluido con flujo laminar. Este es un flujo, ideal, por capas, las partículas se desplazan en forma de capas o láminas, estacionario, no turbulento, no viscoso (fluye sin disipación de energía mecánica), incompresible.

12 Ecuación de Continuidad ∆m 1 = ∆m 2 Por el tubo de la figura circula un fluido laminar y en el intervalo ∆t circula una masa ∆m 1 y ∆m 2 por las zonas 1 y 2. Como no hay ni fuentes ni sumideros. ρ ∆V 1 = ρ ∆V 2 ρ A 1 ∆X 1 = ρ A 2 ∆X 2 ρ A 1 v 1 ∆t = ρ A 2 v 2 ∆t A 1 v 1 = A 2 v 2

13 Ecuación de Bernoulli En este caso un fluido laminar pasa del estado 1 al estado 2. Se considera que en el intervalo ∆t masas ∆m 1 y ∆m 2 pasan por esos estados respectivamente. Considerando conservación de la energía. W F1 - W F2 = ∆E c + ∆U F 1 ∆X 1 - F 2 ∆X 2 = ∆M(v 2 2 - v 1 2 ) + ∆Mg(h 2 - h 1 ) 1 2 P 1 A 1 ∆X 1 - P 2 A 2 ∆X 2 = ρ∆V(v 2 2 - v 1 2 ) + ρ∆Vg(h 2 - h 1 ) 1 2 P 1 ∆V - P 2 ∆V = ρ∆V(v 2 2 - v 1 2 ) + ρ∆Vg(h 2 - h 1 ) 1 2 P 1 - P 2 = ρ(v 2 2 - v 1 2 ) + ρg(h 2 - h 1 ) 1 2  P 1 + ρv 1 2 +ρgh 1 = P 2 + ρv 2 2 + ρgh 2 1 2 1 2  P+ ρv 2 +ρgh = cte 1 2  P+ ρv 2 +ρgy = cte 1 2

14 25/09/2008Física General I- Unidades y sistema de medidas14 a