Algunos aspectos de los fluidos. ESTADOS DE LA MATERIA. Generalmente se clasifica de acuerdo a algunos de los cuatro estados en que se encuentra: sólido,

Presentación del tema: "Algunos aspectos de los fluidos. ESTADOS DE LA MATERIA. Generalmente se clasifica de acuerdo a algunos de los cuatro estados en que se encuentra: sólido,"— Transcripción de la presentación:

1 Algunos aspectos de los fluidos

2 ESTADOS DE LA MATERIA. Generalmente se clasifica de acuerdo a algunos de los cuatro estados en que se encuentra: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Un sólido tiene forma y volumen definidos. Un líquido tiene un volumen definido pero no una forma definida. Un gas no tiene ni volumen ni forma definidos. El plasma consiste en núcleos atómicos y electrones libres, es un gas ionizado con igual número de cargas positivas y negativas, sólo existe a altas temperaturas (> 2000° K); a pesar de ser poco común en la vida cotidiana, es el estado predominante de la materia en el universo. El Sol, las estrellas, el gas de la luz en un tubo fluorescente están en estado de plasma. La materia puede comportarse como un sólido, como un fluido u otro estado, por ejemplo plásticos, asfalto, grasa, miel, masilla, etc.

3 FLUIDO: Es todo material que no sea sólido y que puede “fluir”. Son fluidos los líquidos y los gases; aún con sus grandes diferencias su comportamiento como fluido se describe son las mismas ecuaciones básicas. La diferencia entre uno u otro está en su compresibilidad. Un fluido: - Cambia su forma según el envase. - Se deforma continuamente bajo fuerzas aplicadas. - La atmósfera y el océano son fluidos. - El 97% de nuestro cuerpo es fluido, el manto de la tierra, etc. Para cualquier sustancia el estado líquido existe a una temperatura mayor que la del estado sólido, tiene mayor agitación térmica y las fuerzas moleculares no son suficientes para mantener a las moléculas en posiciones fijas y se pueden mover en el líquido. Lo común que tiene con los sólidos es que si actúan fuerzas externas de compresión, surgen grandes fuerzas atómicas que se resisten a la compresión del líquido. En el estado gaseoso las moléculas tienen un continuo movimiento al azar y ejercen fuerzas muy débiles unas con otras; las separaciones promedios entre las moléculas de un gas son mucho más grandes que las dimensiones de las mismas.

4 El estudio de la dinámica de fluidos es similar al clásico de la dinámica de sólidos usando las ecuaciones desde hace 150 años, en que se estudia el movimiento bajo la acción de fuerzas aplicadas. Se aplican los mismos principios: 1. - Conservación de la masa 2. - Conservación del momentum 3. - Conservación de la energía termodinámica Las ecuaciones de movimiento son dinámicas y las ecuaciones de continuidad cinemática. Cinemática: Describe el movimiento de un cuerpo sin considerar las causas que lo producen. Dinámica: Estudia el movimiento teniendo en cuenta las causas que la producen, y las causas son las fuerzas.

5 Composición de la atmósfera. La atmósfera es un fluido compuesto por varios gases, además de aditivos como líquidos y sólidos en suspensión. Este fluido tiene ciertas propiedades físicas, llamado su estado, que describe su movimiento, su temperatura y su densidad. Su más importante característica es que varia su estado físico en el tiempo y en el espacio. Esas variaciones indican transformaciones de energía y flujos. En la atmósfera coexisten partículas en los tres estados; algunos son fijos y otros ocasionales. Estudios cualitativos de la composición de la atmósfera se refieren a los gases que la forman. Las observaciones han probado que, salvo las pequeñas variaciones de los gases variables, la composición de la atmósfera seca es aproximadamente constante en todo el globo, hasta una altura de cerca de 30 Km sobre el nivel del mar; el aire esta perfectamente mezclado. Son excepciones el bióxido de carbono que varía

6 entre 0.02 - 0.04% y el vapor del agua que es muy variable, depende fuertemente de la temperatura y puede variar entre 0 y 4%; su estudio abarca un capítulo entero de la meteorología referido a la humedad. Según datos aceptados por la Organización Meteorológica Mundial, tomados sobre la hidrosfera, la proporción en volumen de los gases constituyentes en la troposfera y estratosfera se muestra en la tabla Nº 1:

7 Tipos de Flujos Se distinguen dos tipos principales: Laminar: El flujo es ordenado y predecible, el movimiento se produce en capas o láminas, las soluciones matemáticas son factibles. En este flujo las partículas se mueven en trayectorias independientes de las partículas de capas adyacentes. Turbulento: El movimiento de las partículas individuales es aleatorio e impredecible. En el que comúnmente se produce (Figuras). Flujo no viscoso: Es aquel para el cual la fuerza de fricción interna es despreciable en comparación con otras fuerzas. Un fluido que presenta fricción interna muestra una resistencia a su movimiento. - Viscosidad: Es una medida de la resistencia del fluido a su movimiento. - Existen los fluidos viscosos, aquí la fricción interna es importante; la viscosidad caracteriza la tensión interna en un fluido.

8 En la figura se muestra el comportamiento de fluidos comunes: Masas de sedimento

9 Transporte El transporte de sedimento es el acarreo de partículas de un lugar a otro. Los agentes de transporte son: ► Agua ► Viento ► Hielo

10 ► La transportación y depositación de los sedimentos están gobernados por las leyes físicas. Esto incluye el trabajo, que se trasforma en energía de los agentes como el viento, agua y hielo.

11 Reynolds (1874) estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo, a mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador se dispersa rápidamente después de su inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina Turbulento

12 Por lo tanto, hay que considerar a una partícula sedimentaria que se mueve a través de un fluido (aire o agua). El aspecto físico de este fenómeno es expresado por la ecuación de Reynolds, la cual se deriva de un coeficiente dimensional que es el número de Reynolds Re=(Ud&)/v ► U= velocidad de la partícula ► d= diámetro de la partícula ► &= densidad de la partícula ► v= viscosidad del fluido

13 Flujo Laminar, Re<1.0Flujo Turbulento, Re>1.0

14 El segundo coeficiente de la dinámica del fluido es el número de Froude. Esto es esencialmente el radio entre la fuerza requerida para el movimiento de las partículas y la fuerza de gravedad. F= U/ gL U= velocidad de la partícula L= fuerza de la inercia g = aceleración de la gravedad

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16 . Esta ecuación nos dice que se alcanza la velocidad límite vl después de un tiempo teóricamente infinito. Si representamos v en función del tiempo t la gráfica tienen una asíntota horizontal en v=vl.Esta ecuación nos dice que se alcanza la velocidad límite vl después de un tiempo teóricamente infinito. Si representamos v en función del tiempo t la gráfica tienen una asíntota horizontal en v=vl.Esta ecuación nos dice que se alcanza la velocidad límite vl después de un tiempo teóricamente infinito. Si representamos v en función del tiempo t la gráfica tienen una asíntota horizontal en v=vl.Esta ecuación nos dice que se alcanza la velocidad límite vl después de un tiempo teóricamente infinito. Si representamos v en función del tiempo t la gráfica tienen una asíntota horizontal en v=vl. La esfera se mueve bajo la acción de las siguientes fuerzas: el peso, el empuje (se supone que el cuerpo está completamente sumergido en el seno de un fluido), y una fuerza de rozamiento que es proporcional a la velocidad de la esfera (suponemos que el flujo se mantiene en régimen laminar). El peso es el producto de la masa por la aceleración de la gravedad g. La masa es el producto de la densidad del material ρe por el volumen de la esfera de radio R.

17 De acuerdo con el principio de Arquímedes, el empuje es igual al producto de la densidad del fluido ρf, por el volumen del cuerpo sumergido, y por la aceleración de la gravedad. La fuerza de rozamiento es proporcional a la velocidad, y su expresión se denomina ley de Stokes donde h es la viscosidad del fluido

18 . La ecuación del movimiento será, por tanto La velocidad límite, se alcanza cuando la aceleración sea cero, es decir, cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre la esfera es cero Despejamos la velocidad límite vl

19 La ecuación del movimiento es donde F es la diferencia entre el peso y el empuje F=mg-E, y k=6πRh Integramos la ecuación del movimiento para obtener la velocidad de la esfera en función del tiempo.

20 Obtenemos Esta ecuación nos dice que se alcanza la velocidad límite vl después de un tiempo teóricamente infinito. Si representamos v en función del tiempo t la gráfica tienen una asíntota horizontal en v=vl.

21 Esencialmente las partículas pueden moverse a través de un fluido (líquido o gas) en tres formas diferentes.

22 Es de gran importancia el conocer la velocidad crítica del flujo, ya que a partir de dicha velocidad se puede decir si el sedimento se encuentra en erosión transporte o depositado. Esto se puede observar en la siguiente gráfica, realizada por Hjulstrom, (1956

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24 ► Una turbulencia atmosférica es una agitación de la atmósfera, que se aprecia en una capa, próxima al suelo y de espesor variable; se caracteriza por un cambio repentino de dirección e intensidad del viento en una corta distancia en sentido vertical. Frecuentemente se clasifican las turbulencias según la causa que las origina: ► Turbulencia mecánica, ocurre cuando obstáculos tales como edificación, terreno irregular o árboles intervienen con el flujo normal del viento. ► Turbulencia convectiva, denominada también turbulencia termal, es un fenómeno típico de las horas diurnas, con buen tiempo; se forma por el paso de aire frío sobre las masas de aire caliente o cuando por efecto de radiación solar en el suelo calienta las masas de aire. ► Turbulencia frontal, se genera al paso de un frente frío que se desplaza rápidamente, ocasiona ráfagas de hasta 1000'/m y se le conoce también como ráfagas pre-frontales. ► Algunos tipos comunes de turbulencia son: Turbulencia en meteorología

25 Estela turbulenta, se produce por la diferencia entre el intradós y el extradós del perfil alar formando dicho fenómeno. (ejem. Imagen de la aeronave mostrada en la figura de arriba) Turbulencia de aire claro o sus siglas en ingles CAT (Clear Air Turbulence): Tipo de turbulencia severa el cual ocurre a partir de los 15.000 pies; sus características son: sin indicaciones físicas como polvo partículas etc., ocurre por la interacción de diferentes capas de aire con diferentes velocidades asociadas a corrientes convectivas se asocian con unos tipos de vientos llamados jetstream. Ondas de montaña es causado principalmente por turbulencia orográfica el aire frente un flujo laminar del lado de barlovento (antes de la montaña) al lado de sotavento (después de la montaña)el cual se forma turbulento crenado este tipo de ondas; este tipo de fenómeno requiere vientos mayores a los 20 nudos para que se forme. Según la intensidad de la turbulencia se hace la siguiente clasificación: Tipo Velocidad Carga Variación Ligera 5 a 14.9 nudos 0.20g - 0.49g 300' - 1199' Moderada 15 a 24.9nudos 0.5g - 0.99g 1200' - 2099' Severa > a 25nudos 1.0g - 1.99g 2100' - 2999' Extrema -------------- > 2.0 > a 3000'