MECÁNICA DE FLUIDOSPROFR. M.C. JESÚS DAVID MARTÍNEZ ABARCA

FÍSICA II: AGOSTO 2017 – ENERO 2018

Rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos), así como las fuerzas que los provocan, aplicando los principios fundamentales de la mecánica

general. También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita y su hipótesis fundamental en la

que se basa es la hipótesis del medio continuo, que es aquella que considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura

molecular y las discontinuidades asociadas a esta.

Hidráulica

Hidrostática

Hidrodinámica

Hidráulica

• Rige el movimiento de los líquidos y las técnicas para lograr un óptimo aprovechamiento de las aguas mediante diversas leyes.

Hidrostática

• Estudia los líquidos en equilibrio, es decir que se encuentran en reposo sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.

Hidrodinámica

• Estudia la dinámica de los fluidos incompresibles, es decir es la encargada del estudio del comportamiento y las leyes de los líquidos en movimiento.

• Los líquidos a estudiar deben cumplir con lo siguiente:

• Que el fluido sea un líquido incompresible.

• Que su densidad no varíe si le agregamos presión.

FLUIDOS

Los líquidos y los gases se conocen como fluidos porque fluyen libremente y tienden a llenar los recipientes que los contienen,

además ejercen fuerzas sobre las paredes de los recipientes donde están contenidos, esas fuerzas actúan sobre áreas definidas y

originan una condición de presión.

CARACTERÍSTICAS

Estructura Molecular

Los cuerpos sólidos presentanuna estructura moleculardefinida y la fuerza de enlaceentre las partículas que lasconforman es fuerte ypresentan gran resistenciapara ser separadas. En el casode los fluidos, los enlaces sondébiles o en el caso de losgases despreciables, razón porla cual no presentan una formadefinida.

CARACTERÍSTICAS

Compresión

Está característica aplica dediferente modo para líquidosy gases, los primeros sonconsiderados incompresibles,al igual que los sólidos. Porotro lado, los gases debido asu estructura pueden sercomprimidos con relativafacilidad.

CARACTERÍSTICAS

Tracción

Los cuerpos sólidos resistenlas fuerzas de tracción, esdecir no fluyen. Mientrasque los líquidos y gases nooponen resistencia a dichafuerza, por lo tanto,tienden a fluir, motivo porel cual, a los cuerpos enesos dos estados se lesconoce como fluidos.

DIFERENCIAS ENTRE SÓLIDOS Y FLUIDOS

CARACTERÍSTICA SÓLIDO LÍQUIDO GAS

FORMA Definida No definida No definida

COMPRESIÓN Incompresible Incompresible Compresible

FLUIDEZ No fluye Fluye Fluye

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS FLUIDOS

La densidad o masa específica p de un cuerpo se define como la

relación de su masa m con respecto a su volumen V.

𝝆 =𝒎

𝑽

Donde:

= densidad [kg/m3]

m = masa [kg]

V = volumen [m3]

La unidad del SI para la densidad es kilogramos por metro cúbico

(kg/m3).

Por tanto, si unobjeto tiene una masa de 4 kg y un

volumen de 0.002 m3, tiene una densidad de 2000 kg/m3

DENSIDAD

PESO ESPECÍFICO

El peso específico D de un cuerpo sedefine como la relación entre supeso W y su volumen V. La unidadcomún (en el SUEU) es la libra porpie cúbico (lb/ft3)

𝑫 =𝑾

𝑽

Donde:

D = peso específico [N/m3]

W = peso [N]

V = volumen [m3]

Por ejemplo, el peso específico del agua es 62 lb/ft3

La relación entre peso específico y densidad se determina recordando

que W = mg

Donde:

W = peso [N]

m = masa [kg]

g = gravedad [9.8 m/s2]

Por esta razón:

𝐷 =𝑚𝑔

𝑉= 𝜌𝑔

PRESIÓN

La eficiencia de una cierta fuerza a menudodepende del área sobre la que actúa.

Por ejemplo, una mujer que usa taconespuntiagudos daña más los pisos que siusara tacones anchos.

A la fuerza normal por unidad de

área se le llama presión.

𝑃 =𝐹

𝐴

Aun cuando la dama ejerce la misma fuerza hacia abajo en ambos casos, con los tacones agudos su peso se

reparte sobre un área mucho menor.

Donde: A es el área donde se aplica la fuerza perpendicular F.

La unidad de presión es el pascal.

1 pascal (Pa) = 1 newton por metro cuadrado (N/m2)

PRESIÓN HIDROSTÁTICA

La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en

forma perpendicular a esas paredes.

Los fluidos ejercen presión en todas direcciones.

La presión del fluido en cualquier punto es directamente

proporcional a la densidad del fluido y a la profundidad bajo la

superficie del fluido.

Presión Hidrostática

𝑃 = 𝐷ℎ = 𝜌𝑔ℎ

Donde:

P = presión [N/m2]

D = peso específico [N/m3]

h = altura [m]

OTRAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Viscosidad:

• Es una magnitud que representa la “resistencia a fluir” o densidad de un fluido. A mayor viscosidad, más espeso es el fluido; y a menor viscosidad, menos espeso.

Tensión superficial:

• La tensión superficial es un término que suele aplicarse a los líquidos porque es una forma de medir la cohesión que existe entre sus moléculas sólo sobre la superficie. Otra forma de verlo es imaginarse que la tensión superficial es lo que impide que algo se sumerja en el líquido, esa fuerza que hay que superar para atravesar un líquido.

Capilaridad

• Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial y le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Adhesión:• Es la propiedad de la

materia por la cual seunen y plasman dossuperficies de sustanciasiguales o diferentescuando entran encontacto, y se mantienenjuntas por fuerzasintermoleculares.

Cohesión:• Es la atracción entre

moléculas que mantieneunidas las partículas deuna sustancia. Lacohesión es diferente dela adhesión; la cohesiónes la fuerza deatracción entrepartículas adyacentesdentro de un mismocuerpo, mientras que laadhesión es lainteracción entre lassuperficies de distintoscuerpos.

PRINCIPIO DE PASCAL

“La presión ejercida en cualquier lugar de un fluido

encerrado e incompresible se transmite por igual en todas

las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante”

Prensa Hidráulica

𝑝𝑒 = 𝑝𝑠Presión de entrada = presión de salida

𝐹𝑒𝐴𝑒

=𝐹𝑠𝐹𝑠

Donde:

Fe = fuerza de entrada [N]

Fs = Fuerza de salida [N]

Ae = área de entrada [m2]

As = área de salida [m2]

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Anécdota histórica.

Cuenta la historia que Hierón el rey de Siracusa,

convocó a Arquímedes para que le solucione un

problema. El rey le había entregado a un orfebre una

cierta cantidad de oro y plata para que le hiciera una

corona. Al recibir el trabajo, Hierón, sospechó de la

honradez del platero, por lo cual le solicitó a

Arquímedes que investigara si había sido estafado.

Ya tenemos planteado el problema: determinar, conservando la

corona en su integridad, si el artífice se había quedado con

parte del oro entregado para realizar la corona.

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Preocupado Arquímedes por el problema, al que no

encontraba solución ya que no podía ni romper la

corona ni disolverla en ácidos, un día de mucho

calor, decidió tomar un baño, ocurrió entonces al

sumergirse el agua rebasó de la tina. Pensando en

ello llegó a la conclusión que al entrar su cuerpo en

la bañera, ocupaba un lugar que forzosamente

dejaba de ser ocupado por el agua, y adivinó que lo

que él pesaba de menos era precisamente lo que

pesaba el agua que había desalojado, o sea que el

peso de su cuerpo era igual al peso del agua

desplazada.

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Habiendo encontrado la idea para resolver el problema, fue tal su excitación que, desnudo como estaba, saltó de la bañera y se lanzó por las calles de Siracusa al grito de ¡Eureka! ¡Eureka! (Que en griego significa ¡Lo encontré! ¡Lo encontré!).

A partir de este descubrimiento Arquímedes procedió a pesar la corona en el aire y en el agua verificando que en efecto, su densidad no correspondía a la que hubiera resultado de emplear el artífice todo el oro y la plata entregados, confirmando la sospecha del rey, el orfebre lo había estafado.

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Cualquier persona familiarizada con la natación y otros deportes acuáticos ha observado que los objetos parecen perder peso cuando se sumergen en agua. En realidad, el objeto puede

incluso flotar en la superficie debido a la presión hacia arriba ejercida por el

agua

Arquímedes (287-212 a. C.), fue el primero que

estudió el empuje vertical hacia arriba ejercido por los

fluidos

“Un objeto que se encuentra parcial o totalmente

sumergido en un fluido experimenta una fuerza

ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado”

𝑬 = (𝑫)(𝑽) = 𝝆𝒈𝒉𝑽

Donde:

E = empuje [N]

D = peso específico [N/m3]

V = volumen [m3]

𝑾𝒂 = 𝑾− 𝑬Donde:

Wa = peso aparente [N]

W = peso [N]

E = empuje [N]