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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]