TEXTO2 Fluidos

Mec´
anica de Fluidos
Claudio O. Dib *
Depto de F´ısica, Universidad T´ecnica Federico Santa Mar´ıa, Valpara´ıso, Chile
(Dated: 30 de noviembre de 2013)
Este es un apunte para la asignatura FIS-130, de introducci´
on a la mec´
anica de fluidos. La versi´
on
es preliminar y est´
a permanentemente sujeta a revisi´
on. Si tiene comentarios o encuentra errores, se
agradecer´
a que le avise alprofesor.

I.

´
INTRODUCCION

Los fluidos est´
an comprendidos por los l´ıquidos, gases y
plasmas. Los fluidos son substancias que se distinguen
de los s´
olidos por una propiedad mec´
anica particular: los
fluidos no resisten esfuerzos de corte en forma est´atica.
Se llama esfuerzo a la fuerza aplicada en la superficie de
una substancia, medida por unidad de ´
area de la superficie. Si la fuerza esnormal (perpendicular) a la superficie,
el esfuerzo se llama presi´
on, tracci´
on o compresi´
on. Si es
paralela a la superficie se llama esfuerzo de corte o de
cizalle.
Al aplicar un esfuerzo de corte en un s´
olido, ´este se deforma hasta un cierto punto y luego resiste en forma est´atica
ese esfuerzo. Un fluido, en cambio, al aplicarle esfuerzo
de corte se deforma continuamente (fluye).
Enlenguaje cotidiano se habla de fluidos para referirse
s´
olo a los l´ıquidos, aunque los gases y plasmas tambi´en
son fluidos.
Un l´ıquido se diferencia de un gas en que el primero posee
una superficie libre que no est´
a definida por el recipiente
que lo contiene, mientras que el gas se expande hasta donde lo limite el recipiente. A nivel at´
omico, en el l´ıquido
los ´
atomos vecinos mantienen unadistancia aproximadamente fija, mientras que en un gas las mol´eculas no est´an
ligadas entre s´ı. Por lo mismo, los gases son altamente
compresibles (su volumen depende mucho de la presi´on),
mientras que los l´ıquidos, como tambi´en los s´olidos, en
comparaci´
on con los gases son m´
as bien incompresibles.
El estudio de los fluidos comprende tanto aspectos
mec´
anicos como t´ermicos. En esteestudio vamos a concentrarnos en los aspectos mec´
anicos. Esto es u
´til no
s´
olo conceptualmente sino tambi´en en la pr´
actica, porque
existen muchas situaciones en las que los aspectos t´ermicos pueden ser despreciados, especialmente en casos de
l´ıquidos. Esto se debe a que, siendo casi incompresibles,
no absorben mucha energ´ıa por trabajo, de modo que su
energ´ıa interna no cambia, a menos quese les transfiera
calor intencionalmente (salvo en casos de alta turbulencia
donde el calor es inevitable).

* Electronic

address: claudio.dib@usm.cl

II.

´
ESTATICA
DE FLUIDOS

Este es el estudio de fluidos en equilibrio mec´anico, usualmente en reposo.
El equilibrio mec´anico de un fluido ocurre si cada elemento (trocito infinitesimal) del fluido se encuentra en
equilibrio mec´anico, es decirsi la suma de todas las fuerzas aplicadas sobre cada elemento del fluido es cero.
Las fuerzas a las que est´a sometido un elemento de fluido
en equilibrio son usualmente:
la gravedad,
las fuerzas de presi´on sobre las superficies del elemento, debido al resto del fluido a su alrededor o a
la pared del recipiente.

A.

Presi´
on

Tal como definimos en el cap´ıtulo de Termodin´
amica, la
presi´on esla fuerza normal por unidad de ´area que ejerce
un fluido sobre otro, o un fluido sobre una pared.
La presi´on es, esencialmente, la medida de c´omo act´
uan
mec´anicamente entre s´ı (fuerza) dos elementos de fluido
adyacentes, a trav´es de la superficie imaginaria que los
separa.
Dos propiedades importantes:
La presi´on es una cantidad local (se puede definir
en cada punto del fluido).
Lapresi´on es una cantidad escalar (no tiene direcci´on), a pesar de que la fuerza debido a ´esta es una
cantidad vectorial.
La direcci´on de la fuerza de presi´on sobre un ´
area
infinitesimal dA dada es siempre normal a dicha
´area.
La magnitud de esa fuerza es F = p dA, independiente de la orientaci´on del ´area.
Esto u
´ltimo requiere de explicaci´on. Considere un elemento de fluido con forma de...