Mecánica de fluidos

Mecánica de fluidos.

La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que se encarga de estudiar el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que provocan estos movimientos. También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda lamecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo.

Hipótesis básicas en mecánica de fluidos.

En la mecánica de fluidos se parte de varias hipótesis en función de las cuales se desarrollan todos los conceptos. En particular, en la mecánica de fluidos se asume que los fluidos verifican las siguientes leyes:

Conservación de la masa y de la cantidad de movimiento.
Primera y segunda ley de latermodinámica.

Hipótesis del medio continúo.

La hipótesis del medio continuo es fundamental en la mecánica de fluidos y en general de toda la mecánica de medios continuos. Esta hipótesis considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por lo tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con esta hipótesis se puede considerar que laspropiedades del fluido como la densidad, temperatura, viscosidad, etcétera son funciones continuas.

La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en comparar el camino libre medio de las moléculas con la longitud característica del sistema físico. Al cociente entre estas longitudes se le denomina número de Knudsen.

Cuando este número adimensional es mucho menor a la unidad, elmaterial en cuestión puede considerarse un fluido (medio continuo). En el caso contrario los efectos debidos a la naturaleza molecular de la materia no pueden ser despreciados y debe utilizarse la mecánica estadística para predecir el comportamiento de la materia. Un ejemplo de situaciones donde la hipótesis del medio continuo no es válida puede encontrarse en el estudio de los plasmas.

Conceptode partícula fluida.

Este concepto está muy ligado al del medio continuo y es sumamente importante en la mecánica de fluidos. Se llama partícula fluida a la masa elemental de fluido que en un instante determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa elemental ha de ser lo suficientemente grande como para contener un gran número de moléculas, y lo suficientemente pequeña como parapoder considerar que en su interior no hay variaciones de las propiedades macroscópicas del fluido, de modo que en cada partícula fluida se le puede asignar un valor a estas propiedades. Es importante tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la velocidad macroscópica del fluido, de modo que está siempre formada por las mismas moléculas. Así pues, un determinado punto del espacio endistintos instantes de tiempo estará ocupado por distintas partículas fluidas.

Descripción de Lagrange y Euler del movimiento de un fluido.

En el momento de describir el movimiento de algún fluido existen dos puntos de vista. La primera forma de verlo es seguir a cada partícula fluida en su propio movimiento, de manera que se hacen relaciones y conjeturas para luego encontrar funciones que nosden su posición, así como también las propiedades de la partícula fluida en cada instante. Ésta es, en forma simple, la descripción de Lagrange.

La segunda forma de verlo es asignar a cada punto del espacio y en cada instante del tiempo, un valor para las propiedades o magnitudes fluidas sin importar que en ese instante la partícula fluida ocupe ese volumen diferencial. Ésta es la descripciónsimplificada de Euler, que no está ligada a las partículas fluidas sino a los puntos del espacio ocupados por el fluido. En esta descripción el valor de una propiedad en un punto y en un instante determinado es el de la partícula fluida que ocupa dicho punto en ese instante.

La descripción de Euler es la usada comúnmente, puesto que en la mayoría de los casos y aplicaciones es más útil. Se...