1.1 Conceptos Fundamentales Mecánica de fluidos Presentan: Gabriel García Gonzalez Rafael Rangel Resendiz Arnulfo Pozas

Introducción La mecánica de fluidos se ocupa del estudio de los fluidos en movimiento (Fluidodinámica) o en reposo (fluido estática). Tanto los líquidos como los gases son considerados fluidos

Aplicaciones El numero de aplicaciones en mecánica de fluidos abarca desde: respiración, flujo sanguíneo, natación, ventiladores, turbinas, aviones, barcos, ríos, molinos de viento, tuberías, misiles, motores, aspersores entre otros.

Estados de la materia en mecánica de fluidos Desde el punto de vista de mecánica de fluidos la materia solo puede presentarse en dos estados solido y liquido Un solido puedes resistir un esfuerzo cortante con una deformación estática Un fluido no, este se mueve y se deforma continuamente mientras se siga aplicando el esfuerzo cortante

Podemos decir que un fluido que se encuentra en reposo debe estar en un estado de esfuerzo cortante nulo comúnmente conocido como condición hidrostática

El fluido como medio continuo Los fluidos son agregaciones de moléculas muy separadas en el caso de los gases y próximas en los líquidos, las moléculas no están fijas en una red, sino que se mueven libremente por poca fuerza de cohesión. Por ello la masa o densidad no tienen un significado preciso.

Volumen de un fluido Densidad o masa por unidad de volumen no tiene un significado preciso ya que el numero de moléculas en un volumen cualquiera varia continuamente si este es demasiado grande.

Dimensiones y unidades Es la medida por la cual una variable física se expresa cuantitativamente, la longitud esta asociada a variables como distancia, desplazamiento, anchura, deflexión y altura. Los ingenieros norteamericanos adoptaron el sistema de unidades británico el cual generaba errores en los cálculos en muchos estudiantes por motivos de factores de conversión En Francia en 1872 se propuso la convención metrica mejora sobre el sistema británico por su base 10

Para uniformizar el sistema métrico en 1960 se propuso el Si (sistema internacional de unidades) por la convención de pesas y medidas perfeccionando así el sistema métrico.

Dimensiones primarias y ley de newton En mecánica de fluidos solo hay 4 dimensiones primarias: masa, longitud, tiempo y temperatura. La fuerza es igual a la variación temporal de cantidad de movimiento o si la masa es contante. F=ma

Prefijos apropiados para potencias de base 10 En ingeniería los resultados suelen ser demasiado pequeños o demasiado grandes con muchos ceros por un lado o el otro. Por tal motivo se crearon los prefijos

Propiedades principales de un fluido Aunque el campo de velocidades V es la propiedad más importante del flujo, éste interactúa con las propiedades termodinámicas del fluido. A lo largo de la discusión precedente hemos introducido las tres más importantes: l. Presión p 2. Densidad ρ 3. Temperatura T 3. Velocidad

Al entrar en juego el trabajo, el calor y el equilibrio energético aparecen otras cuatro propiedades termodinámicas: 4. Energía interna û 5. Entalpía h = û + p/ρ 6. Entropía s 7. Calores específicos cp y cv Por otro lado, los efectos de fricción y conducción de calor están gobernados por los denominados coeficientes de transporte: 8. Coeficiente de viscosidad μ 9. Conductividad térmica k

Presión La presión es el esfuerzo de compresión en un punto en un fluido en reposo. Después de la velocidad, la presión p es la variable más significativa en la dinámica de un fluido. Las diferencias o gradientes de presión son generalmente las responsables del flujo, especialmente cuando es en conductos.

Temperatura (T) La temperatura está relacionada con el nivel de energía interna del fluido. Puede variar considerablemente durante el flujo compresible de un gas. Si las diferencias de temperatura son fuertes, la transferencia de calor puede ser importante nuestro interés debe de centrarse en la dinamica

Densidad (ρ) La densidad de un fluido, es su masa por unidad de volumen. La densidad varía mucho en los gases, aumentando casi de forma proporcional a la presión. La densidad de los líquidos en casi constante; la densidad del agua (alrededor de 1000 kg/m3) tan sólo se incrementa en un 1 por 100 cuando la presión se multiplica por un factor de 220. Por lo tanto, la mayoría de los líquidos se pueden considerar casi «incompresibles». En general, los líquidos son tres órdenes de magnitud más densos que los gases a presión atmosférica. El líquido más pesado es el mercurio, y el gas más ligero, el hidrógeno. Mercurio: ρ = kg/m3 Hidrógeno: ρ = 0,0838 kg/m3

Peso especifico (ρg) El peso específico de un fluido es su peso por unidad de volumen. Al igual que una masa m tiene un peso W = mg, la densidad y el peso específico están relacionados por la gravedad: Peso específico = ρg

Propiedades secundarias de un fluido Existen otras magnitudes secundarias que caracterizan el comportamiento específico de los fluidos. La más importante de éstas es la viscosidad, que relaciona el esfuerzo o tensión local en un fluido en movimiento con la velocidad de deformación de las partículas fluidas.

Viscosidad (μ) La viscosidad es una medida cuantitativa de la resistencia de un fluido a fluir. Más concretamente, la viscosidad determina la velocidad de deformación del fluido cuando se le aplica un esfuerzo cortante dado. Podemos movernos fácilmente a través del aire, que tiene una viscosidad muy baja. El movimiento es más difícil en el agua, con una viscosidad 50 veces mayor; pero aún es más difícil en aceite SAE 30, que es 300 veces más viscoso que el agua. Trate de deslizar su mano por glicerina, cinco veces más viscosa que el aceite SAE 30, o por melaza, aún cinco veces más viscosa que la glicerina. Como puede verse, los fluidos pueden tener un amplio rango de viscosidades.

Conductividad térmica (k) De la misma forma que la viscosidad relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación, hay una propiedad denominada conductividad térmica k que relaciona el vector flujo de calor por unidad de área q con el vector gradiente de temperatura T. Esta proporcionalidad, observada experimentalmente para fluidos y sólidos, es conocida como ley de Fourier de la conducción del calor: q = –kV – T

TÉCNICAS DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 1. Reúna los parámetros y los datos del problema en un mismo lugar. 2. Obtenga, usando tablas o gráficos, todas las propiedades necesarias de los fluidos: ρ, μ, cp, k, ϒ y demás. 3. Utilice unidades SI (N, s, kg, m) si es posible, con lo que no harán falta factores de conversión. 4. Entienda bien lo que preguntan. A menudo los estudiantes responden a preguntas incorrectas; por ejemplo, dan el flujo másico en lugar del flujo volumétrico, la presión en lugar del gradiente de presión, la resistencia en lugar de la sustentación. Se supone que los ingenieros saben leer cuidadosamente. 5. Haga un esquema detallado del sistema, indicando todo con claridad.

6. Piense cuidadosamente y a continuación enumere las hipótesis de trabajo. En este caso, saber es poder; no se debe adivinar la respuesta. Uno debe ser capaz de decidir correctamente si el flujo se puede considerar estacionario o no estacionario, compresible o incompresible, unidimensional o multidimensional, viscoso o no viscoso; y si basta un análisis de volumen de control o es necesario recurrir a las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. 7. A partir de la información recopilada en los pasos 1 a 6, escriba las ecuaciones, correlaciones de datos y relaciones de estado que gobiernan los fluidos que intervienen en el problema en cuestión. Si la solución puede obtenerse algebraicamente, calcule lo que le pidan. Si las ecuaciones son más complicadas (no lineales, o demasiado numerosas, por ejemplo), utilice el Resolvedor de Ecuaciones de Ingeniería (EES). 8. Escriba la solución con claridad, indicando las unidades apropiadas y usando un número de cifras significativas (normalmente dos o tres) adecuado a la incertidumbre de los datos.

EJERCICIOS

#1 Convertir: 2.3, 0.4 y 1.2 Metros cúbicos por segundo a pies cúbicos por horas (M 3 /S a ft 3 /h ). DATOS: 1 M 3 = ft 3 1 h = 3600 s NOTA. M 3 = ES UNA UNIDAD DE VOLUMEN. ft 3 =ES UNA UNIDAD DE VOLUMEN. SEGUNDOS, HORAS = UNIDADES DE TIEMPO.