Hidraulica

Capítulo CONCEPTOS BÁSICOS

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La ingeniería de mecánica de fluidos se ha desarrollado mediante el conocimiento de las propiedades de los fluidos, la aplicación de las leyes básicas de la mecánica y termodinámica, así como por experimentación. La densidad y viscosidad intervienen en el flujo en canales abiertos y conductos cerrados y en el flujo alrededor de objetos sumergidos. Los efectos detensión superficial son importantes en la formación de gotas, en flujo de pequeños chorros y en situaciones donde ocurren interfaces de líquido-gas-sólido o líquido-líquido-sólido, así como en la formación de ondas capilares. La presión de vapor, a la que se atribuyen cambios de fase de líquido a gas, es importante cuando se trata de presiones reducidas.

1.1 Características de los fluidos Deacuerdo con el aspecto físico que tiene en la naturaleza, la materia se clasifica en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. En general los dos últimos, se conocen como fluidos y, en casos muy especiales algunas sustancias, por ejemplo el alquitrán que, a pesar de tener apariencia de un sólido, su comportamiento corresponde al de un fluido.

1.1.1. Definiciones Un fluido es una sustancia quedeforma continuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante, sin importar cuan pequeño sea dicho esfuerzo. Una fuerza cortante es la componente, de una fuerza, tangente a una superficie y, si esta fuerza se divide por el área de la superficie, se genera el esfuerzo cortante promedio sobre el área (Fig. 1.1). De acuerdo con esta definición, los líquidos y gases son fluidos, ya que ceden ante lasfuerzas cortantes. -1-

Fig. 1.1 Modelo que permite ilustrar la definición de un fluido

Mecánica de fluidos. Es la ciencia, en la que los principios fundamentales de la mecánica general se aplican en el estudio del comportamiento de los fluidos, tanto en reposo como en movimiento. Dichos principios son: 1) La conservación de la materia, 2) La conservación de la energía y 3) Las leyes delmovimiento de Newton. Debido a que, el campo de aplicación del ingeniero civil se restringe al estudio del movimiento de los líquidos, surgió la hidromecánica técnica; la cual se define, entonces, como la rama de la mecánica de fluidos que estudia las leyes de equilibrio y movimiento de los fluidos incompresibles, principalmente los líquidos.

1.1.2 Propiedades de los fluidos Viscosidad Es una medidade la resistencia a fluir, como resultado de la interacción y cohesión de las partículas de un fluido. Si se considera el flujo, de un fluido, sobre una frontera sólida fija, donde las partículas se mueven en líneas rectas paralelas, se puede suponer que el movimiento se produce por capas o láminas de espesor diferencial, cuyas velocidades varían con la distancia “y”, normal a la frontera (Fig.1.2). Según Newton, el esfuerzo tangencial que se produce entre dos láminas, separadas una distancia dy, y que se desplazan con velocidades (v) y [v + ( v / y ) dy], vale:

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

v y

(1-1)

De acuerdo con esta ley, el esfuerzo tangencial es proporcional al gradiente de velocidades [ ( v / y ) ], donde μ es una característica de viscosidad del fluido y se conoce como viscosidaddinámica.

Fig. 1.2. Perfil de velocidades de un fluido por efecto de la viscosidad

Por observación del perfil de velocidades, mostrado en figura 1.2, es notorio que el esfuerzo tangencial cortante, generado entre el fluido y la pared, es mayor al que existe entre las capas adyacentes, debido a que la variación de la velocidad, con respecto al tirante, es mayor en la cercanía de la paredsólida. Los llamados newtonianos se comportan de acuerdo con esta ley; en cambio, los no newtonianos se comportan de manera distinta, figura 1.3, en la que se observa la existencia de casos extremos: el fluido no viscoso con viscosidad nula (μ = 0) y, el elástico, con viscosidad μ =  .

Fig. 1.3 Tipos de comportamiento reológico de un fluido.

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Las dimensiones de la viscosidad dinámica,...