Introducción
En la formación de un ingeniero mecánico, las disciplinas que tiene que manejar son:
Las matemáticas como instrumento de trabajo.
La física como base de la ingeniería.
La mecánica del sólido rígido, desde el punto de vista estático, cinemático y dinámico.
La mecánica del sólido deformable o resistencia de materiales.
La mecánica de fluidos.
La termodinámica.
La transmisión de calor.
La mecánica de fluidos constituye la base sobre la que se desarrolla la asignatura de Ingeniería fluidomecánica. La mecánica de fluidos estudia los comportamientos de los fluidos, tanto en reposo (estática), como en movimiento (dinámica).
¿Qué es un fluido? ; Se define por fluido como cualquier sustancia que se deforma continuamente y permanentemente bajo la aplicación de un esfuerzo de corte (tangencial), aún cuando este esfuerzo sea infinitesimal. Denominando esfuerzo a la relación entre la fuerza superficial aplicada y el área donde actúa.
¿Qué son esfuerzos de corte?. En la naturaleza, la materia puede interaccionar con dos tipos de fuerzas, las fuerzas másicas, que actúan en toda la materia, y no existe contacto entre la fuerza y la materia, esta interacción se debe a campos de fuerzas, como por ejemplo, las fuerzas debidas a los campos gravitatorios (peso), las fuerzas que aparecen en los conductores en presencia de campos de fuerza electromagnéticos, etc.. Y las fuerzas de superficie, en donde existe un contacto físico entre la materia y la fuerza que interacciona. Este tipo de fuerza es el que interesa en nuestro estudio.
Si cogemos arbitrariamente una superficie en el espacio:
Y le aplicamos una fuerza arbitraria, la podemos descomponer ésta en coordenadas cartesianas, en tres componentes, dos componentes tangenciales a la superficie, y otra normal a la superficie, en la misma dirección que el vector superficie.
Por tanto si esto lo aplicamos, tanto a un sólido como a un fluido, vamos a ver que ocurre:
– En un sólido, si aplico una fuerza superficial, el efecto que se ve, es que se deforma, y cuando cesa, vuelve a su posición original. Es decir un sólido aguanta las fuerzas tangenciales, o fuerzas de corte, y las fuerzas normales, tanto de compresión como de tracción sin que se produzca una deformación permanente o continua (siempre que no sobrepase unos ciertos límites -. límite elástico del material .-).
– En un líquido, si se aplica una fuerza superficial el efecto que se ve, es el siguiente, aguanta sin deformarse solamente las fuerzas normales de compresión, pero no así las de tracción, y si se aplica una fuerza tangencial, se deforman continuamente.
– En un gas, si se aplica una fuerza superficial el efecto que se ve, es el siguiente, no aguanta sin deformarse las fuerzas normales de compresión y tracción, y si se aplica una fuerza tangencial, se deforma continuamente.
Por lo tanto el estudio de la mecánica de fluidos se aplica a sustancias cuyas fases correspondientes son los líquidos y los gases.
Fenomenología. En las sustancias existen dos tipos de fuerzas intermoleculares:
De cohesión entre moléculas de la misma sustancia.
De adherencia entre moléculas de sustancias en diferentes fases o en la misma fase, pero no miscibles.
En los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y en las tres direcciones espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite pequeños desplazamientos de las moléculas entre si, cuando cesa la fuerza exterior, las fuerzas de cohesión vuelven a colocar las moléculas en su posición inicial.
En los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido, se queda pegada a éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a las otras deslizan entre sí.
En los gases, las fuerzas de cohesión son despreciables, las moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con los sólidos y los líquidos son importantes.
Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de las moléculas. Como estas partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola.
Como podemos comprobar en la vida cotidiana, estas fases de la materia, se aplican a casi todos los campos de la técnica:
– Máquinas de fluidos: Bombas y Turbinas.
– Redes de distribución.
– Regulación de máquinas.
– Transmisiones de fuerza y controles hidráulicos y neumáticos.
– Acoplamientos y cambios de marcha.
Primera clasificación de los fluidos
Como hemos visto los fluidos se pueden clasificar según en que fase se encuentren:
a) Líquidos:
– Tienen volumen definido.
– Poseen superficie libre.
– Son prácticamente incompresibles.
– No soportan esfuerzos normales de tracción.
b) Gases:
– Se adaptan al volumen que ocupan.
– No tienen superficie libre.
– Se comprimen con facilidad.
– No soportan esfuerzos normales de tracción ni de compresión.
Propiedades de los fluidos
Las propiedades son características macroscópicas de un sistema tales como la masa, volumen, etc., a las que se le puede asignar un valor numérico en un instante dado, sin que haga falta saber que le ha ocurrido al sistema con anterioridad.
Podemos definir el estado de un fluido, mediante las propiedades definidas en física, como:
Adimensional.
– Temperatura (T); propiedad que nos define el estado térmico de un cuerpo.
Unidades S.I. el Kelvin (K).
– Presión (p); es la fuerza normal por unidad de superficie. Es el denominado esfuerzo normal.
Unidades S.I. el Pascal (Pa) = N/m2 = kg/m*s2. Unidades S.T. kp/m2.
Una propiedad particularmente interesante es:
Por definición de fluido sabemos que es una sustancia que se deforma continuamente, cuando se aplica un esfuerzo tangencial por muy pequeño que sea éste. En ausencia de esfuerzo de corte, por tanto, no habrá deformación.
Los fluidos pueden clasificarse de manera general de acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte aplicado y la relación de deformación.
– La ley de Newton para la viscosidad:
La resistencia que opone un fluido depende de la velocidad a que realizamos la deformación. (Efecto del tarro de mermelada).
Supongamos un fluido que se mueve con relación a un contorno.
La lámina de fluido en contacto con el sólido queda pegado al mismo, y su velocidad relativa es nula.
A cierta distancia del contorno otra lámina tendrá prácticamente la velocidad "u" (velocidad máxima), y las láminas intermedias tendrán velocidades intermedias.
Demostración:
Siendo este último término la velocidad de deformación angular.
Por lo que el esfuerzo cortante es proporcional a la velocidad de deformación angular, y como esta es igual a la relación de velocidad tangencial entre distancia normal, podemos decir que el esfuerzo cortante es a la vez proporcional a esta relación.
La experiencia diaria demuestra que los fluidos oponen una resistencia a ser deformados.
Esta resistencia es diferente para cada fluido.
El ensayo S.A.E. consiste en medir las viscosidades cinemáticas a diferentes temperaturas (- 18ºC y 98ºC). Así por ejemplo, tenemos aceites 5W, 30W.
– Causas que originan la viscosidad:
a) Cohesión molecular:
En los líquidos la viscosidad es originada por la cohesión molecular, enlaces débiles entre moléculas, que hay que romper para que una lámina de fluido pueda ir más rápida que la otra. Por tanto al aumentar la temperatura la viscosidad absoluta disminuye, y al aumentar la presión aumenta.
b) Intercambio de la cantidad de movimiento entre partículas:
En los gases la viscosidad es originada por el movimiento caótico de las moléculas, que chocan unas con otras, (existe un intercambio de cantidad de movimiento), por lo que en el ámbito macroscópico vemos una relentización del movimiento. Por tanto cuando aumenta la temperatura aumenta la viscosidad absoluta, y al aumentar la presión, también, aumenta.
– Compresibilidad.
La variación de volumen que sufre un fluido cuando varía su presión, tiene un valor determinado si se miden siempre en las mismas condiciones.
El origen de la tensión superficial puede explicarse de la siguiente manera:
– Una molécula situada en el interior del fluido, es atraída por igual en todas direcciones por las moléculas adyacentes y se encuentran en equilibrio.
– Por el contrario las moléculas que se encuentran cerca de la superficie (distancias del orden de 10-6 mm), el equilibrio se rompe, porque las moléculas son atraídas más por las moléculas del líquido que por las del aire.
Este fenómeno origina una fuerza resultante hacia el interior del fluido.
Un fenómeno derivado de la tensión superficial es el menisco o fenómeno de capilaridad, éste es un fenómeno que se da en los líquidos, y es debido al efecto de las fuerzas de adherencia que existe entre estos y los sólidos, y las fuerzas de cohesión del propio líquido. Así, cuando las fuerzas de adherencia son mayores que las fuerzas de cohesión el líquido tiende a subir en un tubo capilar, y viceversa.
Se denomina ángulo de contacto, al ángulo formado entre la tangente a la superficie libre del líquido y la tangente a la superficie del sólido adyacente, en el punto de contacto.
Con el ángulo de contacto y la tensión superficial se puede estudiar la fenomenología del menisco o ascenso capilar.
– Presión vapor.
Es otra propiedad, que poseen los líquidos. A través de la superficie libre de los líquidos, hay un constante movimiento de partículas que se escapan, si está encerrado con un espacio libre encima, la evaporación tiene lugar hasta que el espacio queda saturado de vapor.
Si aumentamos la temperatura se evapora más líquido y la presión vapor aumenta.
Si disminuye la temperatura se condensa parte del vapor y la presión vapor disminuye.
Esta propiedad se ha de tener en cuenta en los sistemas hidráulicos, ya que puede aparecer un fenómeno pernicioso, denominado cavitación, que consiste en la evaporación de un líquido dentro de un sistema hidráulico, cuando la presión del líquido es inferior a la presión vapor se evapora súbitamente el líquido, estas burbujas de vapor formadas, cuando alcanzan una zona de presión superior a la presión vapor se condensan instantáneamente, y el volumen que ocupaban, se rellena violentamente con el líquido adyacente, produciendo presiones puntuales muy elevadas (sobre los 1000 bar), con lo que si se encuentran cerca de una superficie sólida, arrancan material de ella produciendo un desgaste prematuro del material.
4. – Segunda clasificación de los fluidos.
5. – Descripción y clasificación de los movimientos de los fluidos.
Los flujos de fluidos los podemos clasificar en:
a) Flujos viscosos (viscosidad distinta de cero).
b) Flujos no viscosos (viscosidad nula).
Dentro de los flujos viscosos podemos clasificarlos como:
a1) Flujo laminar, en donde existe un movimiento continuo del fluido en láminas o capas.
a2) Flujo turbulento, en donde existe un movimiento tridimensional al azar.
Enviado por:
Pablo Turmero