PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA DEPARTAMENTO DE ENERGETICA TEMA 1 Propiedades y estática de los fluidos PROF. ING. ANA PEÑA

CONTENIDO DEL TEMA 1 LA MECANICA DE LOS FLUIDOS HIPOTESIS DEL MEDIO CONTINUO DEFINICION DE UN FLUIDO CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS: NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS PRESION EN UN PUNTO. LEY DE PASCAL DISTRIBUCCIÓN DE PRESIÓN EN UN FLUIDO EN REPOSO ECUACIÓN BASICA DE LA ESTATICA DE LOS FLUIDOS VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN UN FLUIDO DE DENSIDAD CONSTANTE ESCALAS DE PRESIÓN MEDICIÓN DE PRESIÓN, PRESIÓN ABSOLUTA Y MANOMETRICA BAROMETROS MANOMETROS FUERZAS SOBRE SUPERFICIES PLANAS Y CURVAS SUMERGIDA FLOTACIÓN

MECANICA DE LOS FLUIDOS Estudia el comportamiento de líquidos y gases, especialmente los líquidos, en dos condiciones: Líquidos en Reposo: Hidrostática Líquidos en Movimiento: Hidrodinámica Forma parte de la Mecánica de medios continuos y del estudio de los sólidos sometidos a esfuerzos.

Hipótesis del Medio Continuo 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. 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, velocidad, temperatura, etc.) son funciones continuas de la posición y el tiempo.

DEFINICIÓN DE FLUIDO Se define como una sustancia que se deforma de manera continua cuando sobre ella actúa un esfuerzo cortante (Fuerza por unidad de área), se crea siempre que una fuerza tangencial actúa sobre una superficie.

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS DE ACUERDO COMPORTAMIENTO REOLÓGICO La reología es la ciencia que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos extremos o la repuesta de un fluido a los esfuerzos. Newtonianos: cumplen con la ley de viscosidad de newton, los esfuerzos y la tasa de deformación del fluido se relacionan mediante una ecuación lineal. Ej.: agua, aire, gasolina, el vino. No newtonianos: no cumple con la ley de viscosidad de newton. Ej.: hidrocarburos espesos y cadenas largas. Independientes del tiempo Pseudoplasticos (plasma sanguíneo, polietileno fundido) Fluidos dilatantes (dióxido de titanio, el almidón en agua)

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS Plástico Ideal o de BINGHAM (Chocolate, La salsa de tomate, La mostaza) Dependientes del tiempo Fluidos tixotrópicos: exhiben una disminución reversible de los esfuerzos cortante con el tiempo cuando la velocidad es constante. Ej.: la manteca, pintura, tinta de impresión, polímero Fluidos reopeticos: exhiben un aumento reversible del esfuerzo cortante con el tiempo, cuando la velocidad de deformación es constante. Ej.: arcilla bentonifica Fluidos viscoelásticos: exhiben una recuperación elásticas de las deformaciones que se presentan durante el flujo, muestran propiedades viscosas y elásticas.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades primarias y propiedades secundarias del fluido.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Presión La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Densidad: (símbolo ρ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Los instrumentos más comunes: El densímetro, permite la medida directa de la densidad de un líquido. El picnómetro, permite la medida precisa de la densidad de sólidos, líquidos y gases La balanza hidrostática, que permite calcular densidades de sólidos. La balanza de Mohr (variante de balanza hidrostática), que permite la medida precisa de la densidad de líquidos.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Peso Especifico: Es la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Volumen Especifico: Es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia.

EC. CLAUSIUS-CLAPEYRON PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Densidad Relativa: Se define como la densidad de un fluido dividida entre la densidad del agua a alguna temperatura especifica, designada por DR (SG, en ingles) Presión de Vapor: es la presión a la que un líquido hierve y está en equilibrio con su propio vapor. Ej.: la presión de vapor del agua a 20ºC es 2337 Pa mientras que la del mercurio es 0.168 Pa. Si la presión del líquido es mayor que la presión de vapor, el único intercambio entre líquido y vapor es la evaporación en la entrefase. Si la presión del líquido se acerca a la presión de vapor, comenzarán a aparecer burbujas de vapor en el líquido. Cuando el agua se calienta hasta 100ºC, su presión de vapor sube hasta 101300 Pa y por eso a la presión atmosférica normal hervirá. Cuando la presión del líquido cae por debajo de la presión de vapor debido al flujo, aparece la cavitación. EC. CLAUSIUS-CLAPEYRON

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Viscosidad Absoluta: Es aquella propiedad del flujo mediante la cual éste ofrece resistencia al esfuerzo cortante. La viscosidad de un gas se incrementa con la temperatura, mientras que la de un líquido disminuye. Viscosidad Cinemática: Es el cociente de la viscosidad absoluta o dinámica entre la densidad

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Tensión Superficial: En una superficie libre, la energía que se necesita para mantener un determinado número de moléculas en un elemento de área, es una propiedad inherente a la interfase, y se denomina tensión superficial: σ. La interfaz sólido-liquido se puede clasificar como humectante y no humectante. Modulo de Elasticidad: Todos los fluidos se pueden comprimir mediante la aplicación de fuerzas de presión y en el proceso se almacena energía de forma elástica.

PRESIÓN EN UN PUNTO Para determinar la presión en un punto interior a un fluido consideremos un elemento de fluido en forma de cuña. Debido a que la cuña esta en reposo relativo no hay fuerzas cortantes y las fuerzas que existen son perpendiculares a las superficies. La presión en cualquier punto interior a un fluido es independiente de la orientación

LEY DE PASCAL Debido a que la presión en un fluido sólo depende de la profundidad, cualquier incremento en la presión en la superficie se debe transmitir a cualquier punto en el fluido. Este efecto fue descubierto por primera vez por Blaise Pascal y se le conoce como Principio de Pascal y establece: “Un cambio en la presión aplicada a un fluido encerrado en un depósito se transmite íntegramente a cualquier punto del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene” PRENSA HIDRAULICA VASOS COMUNICANTES

DISTRIBUCIÓN DE PRESIÓN EN UN FLUIDO EN REPOSO DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES CON LA PROFUNDIADAD: ECUACIÓN DE EULER Determinación de la distribución de presiones en el interior de un fluido en reposo. Condición de equilibrio mecánico Ecuación de Euler

ECUACIÓN BÁSICA DE LA ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS APLICACIÓN PRESIÓN REALIZADA POR EL AGUA SOBRE UNA PRESA Sobre dy, la presión será: Fuerza de presión sobre Fuerza total sobre la presa

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN UN FLUIDO DE DENSIDAD CONSTANTE Las variaciones de presión en una determinada dirección se obtienen estudiando las variaciones que la presión experimenta a lo largo de una dirección horizontal y vertical La presión experimenta variaciones en la dirección vertical.

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN UN FLUIDO DE DENSIDAD CONSTANTE Para propósitos ingenieriles se puede considerar a la aceleración de la gravedad como una constante, de otro lado como se trata de un fluido incompresible la densidad es constante. FLUIDO INCOMPRESIBLE

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN UN FLUIDO DE DENSIDAD VARIABLE Para propósitos ingenieriles se puede considerar a la aceleración de la gravedad como una constante, de otro lado como se trata de un fluido incompresible la densidad es constante. FLUIDO COMPRESIBLE

PRESIÓN ABSOLUTA Y MANOMETRICA MEDICIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN ABSOLUTA Y MANOMETRICA Los valores de la presión se deben establecer respecto a un nivel de referencia. Si este nivel de referencia es el vacío, las presiones se denominan presiones absolutas, y cuando se toma como origen la presión atmosférica local, la presión se denomina presión manométrica. ESCALAS DE PRESION

BARÓMETRO Es un dispositivo que nos permite medir la presión atmosférica local consiste en un tubo de vidrio cerrado por uno de sus extremos y abierto por el otro, a este tubo se le llena con mercurio y después tapado el extremo abierto se invierte en una cubeta de mercurio. Inventado por Torricelli DIAGRAMA ESQUEMATICO BAROMETRO CIENTIFICO BAROMETRO CON ESCALA Patm PRESIÓN SOBRE EL Hg

MANOMETROS Manómetros Bourdon o de Reloj: Las presiones elevadas y grandes rangos de presiones se miden siempre con manómetros metálicos, tipo Bourdon, etc., que se describen con textos y bocetos referentes a medida de alta presión. En los Bourdon en psi, se sabe si la escala de presión que miden es la absoluta si pone “psi” o sobreatmosférica si pone “Psig” (psi gauge).

MANOMETROS Los piezómetros son dispositivos que sirven para medir la diferencia de presión. En general existen muchos dispositivos llamados manómetros que nos permiten determinar diferencias de presión positivas o negativas siendo uno de estos el manómetro de tubo en U.

MANOMETROS Los micromanómetros son dispositivos que sirven para determinar muy pequeñas o grandes diferencias de presión en forma precisa. Un tipo mide las diferencias de elevación de dos meniscos en un manómetro, con exactitud.

FUERZAS SOBRE SUPERFICIES PLANA HORIZONTAL Cuando se va a diseñar canales, compuertas, barcos, submarinos y otros, es necesario estudiar las fuerzas que se originan por la acción de la presión sobre superficies sumergidas. Para que queden completamente determinadas estas fuerzas es necesario especificar: la magnitud, dirección y sentido a si como su línea de acción de la fuerza resultante. DISTANCIA CENTROIDE FUERZAS HIDROSTÁTICA SOBRE SUPERFICIE PLANA EN UN FLUIDO ESTÁTICO INCOMPRENSIBLE

FUERZAS SOBRE SUPERFICIES PLANA INCLINADA Cuando se va a diseñar canales, compuertas, barcos, submarinos y otros, es necesario estudiar las fuerzas que se originan por la acción de la presión sobre superficies sumergidas. Para que queden completamente determinadas estas fuerzas es necesario especificar: la magnitud, dirección y sentido a si como su línea de acción de la fuerza resultante. DISTANCIA CENTROIDE FUERZAS HIDROSTÁTICA SOBRE SUPERFICIE PLANA INCLINADA EN UN FLUIDO ESTÁTICO INCOMPRENSIBLE

FUERZAS SOBRE SUPERFICIES PLANA INCLINADA Las coordenadas del punto de aplicación de la fuerza resultante (Centro de presiones) se determinan utilizando el principio de momentos. El momento de la fuerza resultante con respecto a los ejes x o y es igual al momento de las fuerzas distribuidas respecto a los mismos ejes. MOMENTO INERCIA CON EL EJE X MOMENTO INERCIA CON EL EJE Y LOCALIZACIONES DEL CENTRO DE PRESIONES

FUERZAS SOBRE SUPERFICIES CURVAS SUMERGIDAS Cuando la placa sumergida es curva, la presión que actúa perpendicularmente, cambia de dirección continuamente, y por consiguiente, el cálculo de la magnitud de la fuerza resultante y su localización (centro de presiones) es más difícil que para el caso de una superficie plana, pero puede determinarse con facilidad mediante el cálculo de sus componentes horizontal y vertical, respectivamente

FUERZAS SOBRE SUPERFICIES CURVAS SUMERGIDAS La componente horizontal de la fuerza debida a las presiones sobre una superficie curva es igual a la fuerza debía a las presiones que se ejercería sobre la proyección de la superficie curva. El plano vertical de proyección es normal a la dirección de la componente. La componente horizontal de esta fuerza paralela al eje x, es TEOREMA DE MOMENTOS Para encontrar la línea de acción de la componente horizontal que actúa sobre la superficie curva, se usa el teorema de momentos

FUERZAS SOBRE SUPERFICIES CURVAS SUMERGIDAS La componente vertical debida a las presiones sobre una superficie curva es igual al peso del fluido situado verticalmente por encima de la superficie curva y extendida hasta la superficie libre. VOLUMEN DEL FLUIDO El volumen de fluido situado verticalmente por encima del elemento de área

FLOTACION Cuando un cuerpo se encuentra total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente que actúa sobre él llamada fuerza de empuje o flotación. La causa de esta fuerza es la diferencia de presiones existentes sobre las superficies superior e inferior. Las leyes de boyantez o empuje se enuncian: Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de flotación (empuje) verticalmente hacia arriba igual al peso de fluido que desaloja. Un cuerpo que flota desplaza un volumen de fluid equivalente a su propio peso.

El momento resultante con respecto al mismo eje FLOTACION La fuerza de flotación o empuje sobe el cuerpo sumergido es la diferencia entre la componente vertical debida a la presión sobre la parte inferior AMB y la componente vertical de la fuerza debida a la presión sobre la parte superior AUB. Esto es MOMENTOS DE LA FUERZA El momento resultante con respecto al mismo eje