Introducción a la mecánica de fluidos

PARTE I.- INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE FLUIDOS
1.1.- MECÁNICA DE FLUIDOS
La mecánica es la ciencia física que trata tanto los cuerpos en reposo así como aquellos en movimiento bajo la influencia de fuerzas. La subcategoría mecánica de fluidos se define como la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos), y lainteracción de éstos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras. Regularmente, la mecánica de fluidos sólo se menciona como dinámica de fluidos, pues se considera a los fluidos en reposo como un caso especial con velocidad cero. La mecánica de fluidos se divide en varias categorías, de las cuales, las más importantes son:
* La hidrodinámica, que estudia los fluidos incomprensibles.
* Lahidráulica, que estudia los flujos de líquidos en canales, los cuales están abiertos.
* Dinámica de gases, que trata el flujo de fluidos que sufren cambios significativos en la densidad.
* Aerodinámica, que estudia el flujo de gases sobre cuerpos a altas y bajas velocidades.
1.1.1.- ¿Qué es un fluido?
Un fluido es una sustancia en su estado líquido o gaseoso. Estos se deforman alaplicarles un esfuerzo constante, ocasionando que el esfuerzo sea constante y proporcional a una razón de deformación.
El esfuerzo es la fuerza por unidad de área. La componente normal que actúa sobre una superficie por unidad de área se conoce como esfuerzo normal, cuya componente tangencial se conoce como esfuerzo cortante. En un fluido en reposo al esfuerzo normal se le llama presión.
En un líquido semueven enormes cantidades de moléculas manteniendo su volumen relativamente constante. Esto es ocasionado porque las moléculas tienen una intensa fuera de cohesión entre ellas, lo que ocasiona que el líquido tome la forma del recipiente en el que están. Por el contrario, un gas se expande haría las paredes del recipiente en el que se encuentre y llena todo el espacio que se encuentra disponibledentro del mismo. Esto es una consecuencia de la debilidad de la fuerza de cohesión de las moléculas en estado gaseoso y el gran espacio existente entre ellas.
1.1.2.- Aplicaciones
La mecánica de fluidos se utiliza en muchas actividades cotidianas y en el diseño de sistemas de ingeniería que van de una congeladora hasta un barco. Es esencial en el funcionamiento del cuerpo humano (en lo querespecta al sistema circulatorio), en el diseño de sistemas de drenaje y agua potable en una casa, en el transporte de combustible, sistema de calefacción y el diseño de carrocería en un automóvil; también es importante en el diseño de aviones, oleoductos, submarinos, y otras aplicaciones.
1.2.- CONDICIÓN DE NO-DESLIZAMIENTO
Cuando hay un flujo de fluido sobre una superficie sólida no porosa, elfluido llega a detenerse por completo y adquiere una velocidad cero con respecto a esta. El fluido en contacto con el sólido se pega a su superficie por efectos viscosos. Este fenómeno lleva por nombre condición de no-deslizamiento.
La condición de no-deslizamiento es responsable del desarrollo del perfil de velocidad, que es la adherencia del fluido al sólido, lo que desacelera a la capa adyacentedel fluido, la cual a su vez, desacelera a la capa siguiente y así sucesivamente. La región del fluido adyacente a la pared en el cual los efectos viscosos (y también los gradientes de velocidad) son significativos es conocida como capa límite.
Entre otras consecuencias de la condición de no-deslizamiento están las velocidades con valor cero de los perfiles de velocidad en la superficie sólida yen los puntos de contacto del fluido con esta. También produce la resistencia de un fluido al movimiento de una superficie, que es la fuerza que el fluido ejerce sobre la superficie sólida en dirección del flujo.
Un fenómeno que es opuesto a la condición de no-deslizamiento es la separación del flujo, que es el punto en el que la capa límite ya no puede adherirse a una superficie curva cuando...