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Universidad de La Frontera
Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración
Departamento de Ciencias Físicas



HIDRODINÁMICA

FLUIDOS EN MOVIMIENTO


Carlos Abarzúa, Walter Lebrecht, Francisco Peña, Alfonso Llancaqueo y Jaime Cartes.
Departamento de Ciencias Físicas
Universidad de La Frontera, Temuco-Chile.
cabarzua@ufro.cl





La hidrodinámica es el estudio de losfluidos en movimiento bajo la acción de fuerzas. Es un campo de estudio de gran complejidad conceptual física y matemática. En este curso, estudiaremos las generalidades más simples acerca del movimiento de fluidos.
Un fluido (líquido o un gas) puede moverse de dos maneras diferentes. Cuando un fluido circula lentamente por una tubería o un río, el movimiento de sus partículas es ordenado,todas las partículas pasan por un mismo punto del fluido con la misma velocidad, o más bien, a cada punto del fluido le corresponde un valor de velocidad constante independiente del tiempo, aunque la velocidad pueda variar al pasar de un punto a otro. En este caso se dice que el movimiento es estacionario, o que el flujo es laminar. En cambio, cuando un fluido en movimiento rodea un obstáculo seforman remolinos, la velocidad deja de ser independiente del tiempo, entonces el movimiento es del fluido es muy complejo de describir y se denomina movimiento turbulento o no estacionario. Siempre que un cuerpo que se mueve en un fluido con turbulencias se generan resistencias y peligros. Por este motivo los aviones y automóviles se diseñan de una forma especial que evite o reduzca los efectos delas turbulencias (Figura 8). En este curso estudiaremos sólo el movimiento de fluidos en régimen estacionario.




















Fig. 8. Movimiento estacionario (flujo laminar) y movimiento turbulento (flujo turbulento).




1. Concepto de caudal

El caudal o gasto [pic] es la cantidad de fluido en movimiento por unidad de tiempo que atraviesa una seccióntransversal [pic] (Figura 9). Operacionalmente se define por la expresión:


[pic]

donde [pic]representa el volumen de fluido y [pic] es el tiempo. El caudal se mide en m3/s , litros /s, etc.













Fig. 9. Volumen de fluido [pic]que atraviesa la sección transversal [pic] en un tiempo [pic].

Como la cantidad de fluido que atraviesa la sección transversal [pic]en eltiempo [pic]está contenida en el volumen [pic], aplicando la definición de caudal se obtiene la expresión:

[pic]

Es decir, el caudal puede ser determinado por el producto entre el área de la sección transversal y la velocidad.


2. Ecuación de continuidad para un flujo estacionario

Cuando un fluido incompresible se mueve en régimen estacionario el caudal permanece constante. Porejemplo, si consideramos un volumen con diferentes secciones transversales como se muestra en la Figura 10.













Fig. 10. Ilustración para la ecuación de continuidad.

De acuerdo con la conservación del caudal, se cumple que el caudal que entra al volumen en la sección [pic]debe ser igual al caudal que sale del volumen en la sección [pic], es decir, aplicando la ec. 8podemos obtener la expresión
[pic]

Esta expresión se denomina ecuación de continuidad para un fluido en régimen estacionario. En consecuencia a partir de la ecuación de continuidad se observa que la velocidad de un fluido es mayor donde el tubo es de menor sección transversal.






3. Ecuación de Bernoulli

Cuando un fluido incompresible circula a lo largo de un tubo de secciónvariable su velocidad cambia (acelera). Por lo tanto, ha de estar sometido a la acción de una fuerza resultante, lo cual significa que la presión tiene que variar a lo largo del tubo. Para dos puntos del fluido a alturas diferentes como se muestra en la Figura 11, la diferencia de presión depende de la diferencia de nivel y de la diferencia de velocidades en los dos puntos. La expresión general de...