Introducción a la mecánica de fluidos

Concepto de fluidos.

Un fluido es una sustancia que de deforma continuamente bajo la acción de fuerzas por pequeñas que estas sean, es decir, un fluido es un gas o un líquido.

Haciendo una similitud, el fluido lo podemos suponer constituido por muchísimos pequeños cubos como que se disponen como cajas uno sobre otros.

Un fluido está en reposo cuando una de estas cajas está también en reposo, a cada uno de estos pequeños cubos los denominaremos diferenciados de volumen. Cada cubo por pertenecer al fluido soporta unos esfuerzos que dependen de su posición, lógicamente los cubos del fondo sufrirán mayores esfuerzos que los de la superficie, pero también cada cubo ejerce un esfuerzo sobre el resto de las cajas y en todas direcciones.

La presión hidrostática que actúa sobre cada punto depende del tipo de fluido, es decir, de su densidad, del planeta en que se encuentre el fluido, el valor de la gravedad y la profundidad del punto considerado la altura (h). Como la presión aumenta con la profundidad, los embalses se construyen con la base más fuerte para soportar mayores presiones.

Fuerzas que ejercen los fluidos en reposo sobre superficies sumergidas.

La fuerza que actúa sobre una superficie sumergida en un fluido la podemos calcular como la presión hidrostática que actúa en el centro de gravedad de la superficie por su área.

Supongamos que una flecha, es la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre una superficie, esta fuerza se aplica en un punto denominado centro de empuje que no tiene por qué coincidir con el centro de gravedad, además esta resultante es siempre perpendicular a la superficie.

Gracias a estas fuerzas podemos explicar el empuje. Sobre la superficie superior e inferior actúan fuerzas resultantes como la suma de estas dos es lo que se denomina empuje que equivale al peso del volumen del fluido desalojado por el prisma, esta ley se conoce como principio de Arquímedes.

Este empuje es el causante de que la pueda se hunda y el palo flote, el peso de la piedra es mayor que el peso del volumen del agua desalojada, es decir su peso es mayor que el empuje del agua y por eso se hunde, al contrario, ocurre con el palo.

El principio de Arquímedes nos permite explicar algunos fenómenos cotidianos como porque ascienden las burbujas de los refrescos. La explicación es que las burbujas pesan menos que la cantidad de volumen que desalojan por su empuje es mayor que su peso y así ascienden.

Lo mismo ocurre con el Zepelín, el peso del conjunto del Zepelín es menor que el peso del aire que ha desalojado lo que le permite flotar en el aire.

Al variar la densidad del fluido, por ejemplo, agregando sal al agua podemos conseguir que un huevo flote, mientras que si el agua no tiene sal el empuje que experimenta es menor que su peso por lo tanto se hunde.

Dinámica de fluidos.

Consideremos el movimiento de los fluidos con caudal constante, es decir que la cantidad de agua que pasa por unidad de tiempo no varía.

En estos casos si aumentamos la sección disminuye la velocidad y al reducir la sección se incrementa la velocidad. La ecuación que relaciona la velocidad y la presión entre dos puntos es la ecuación de Bernoulli donde p es la presión, v= velocidad y z es la altura del punto considerado.

Si en un punto aumenta la velocidad y disminuye la presión y viceversa.

Un avión se sostiene en el aire ya que en la parte inferior del ala el aire circula más lentamente que en la parte superior, esto produce que la presión sea mayor en la parte inferior que en la parte superior, lo que genera una fuerza resultante sobre ambas superficies que permite al avión mantenerse en el aire.

La diferencia de presión entre dos puntos es lo que permite el movimiento del fluido siempre en el sentido de mayor a menor presión.

Esta experiencia se ejerce una fuerza sobre el recipiente para aumentar la presión en su interior, de esta manera conseguimos que la presión en el interior sea mayor que la presión en el exterior así el líquido circula en el sentido de mayor a menor presión.

Cuando tomamos refresco con una pajita, la superficie del refresco está a la presión atmosférica pero nuestra presión está a menor presión debido que la depresión que la succión genera, esto provoca que suba el refresco.