Twitter del Kremlin de Rusia.

Vladimir Putin met with heads of world information agencies on the sidelines of #SPIEF2019 https://t.co/XPHdYz4Nrw pic.twitter.com/alWE48zyJu

— President of Russia (@KremlinRussia_E) June 6, 2019

Propiedades de los fluidos

Los fluidos, al igual que el resto de la materia poseen ciertas propiedades, las cuales se pueden cuantificar gracias a magnitudes físicas principales o derivadas. Entre estas propiedades se encuentran: 

Densidad ρ

Se define como la masa por unidad de volumen. Sus unidades en el sistema internacional son [kg/m3].

Para un fluido homogéneo, la densidad no varía de un punto a otro y puede definirse simplemente mediante: 

ρ = V/m

Por el contrario, para un fluido que no es homogéneo, la densidad ρ varía de un punto a otro. Por tanto tenemos que definir

la densidad en un punto como la masa por unidad de volumen en un elemento diferencial de volumen† en torno a ese

punto:

ρ = ρ(x, y, z, t) =dm/dV

Esto es posible gracias a la continuidad. En los líquidos, al tener baja compresibilidad, la densidad depende de la

temperatura, pero apenas depende de la presión, ρ = ρ(T ). Para los fluidos compresibles, la densidad depende en general tanto de la presión como de la temperatura, ρ = ρ(p, T ). Para el caso concreto de un gas ideal, con una ecuación de estado pV = nRT , la densidad tiene la forma concreta:

ρ(p, T ) = Mp/RT

Peso específico γ

El peso específico se define como el peso por unidad de volumen. En el sistema internacional sus unidades son [N/m3]. 

Para un fluido homogéneo γ = mg/V = ρg, mientras que para un fluido inhomogéneo,

γ = γ(x, y, z, t) = g * (dm/dV)= ρg 

donde g es la aceleración de la gravedad.

Volumen específico v

Se denomina volumen específico al volumen ocupado por la unidad de masa. Para un fluido homogéneo se define

como v = V/m = 1/ρ, mientras que en el caso general de un fluido no homogéneo  tendremos que hablar de su valor en un punto, v = v(x, y, z, t) = dV/dm= 1/ρ.

En todos los casos, v = 1/ρ. Sus unidades en el sistema internacional son [m3/kg].

Viscosidad.

Como se ha dicho en la introducción, la viscosidad refleja la resistencia al movimiento del fluido y tiene un papel análogo al del rozamiento en el movimiento de los sólidos. La viscosidad está siempre presente en mayor o menor medida tanto en fluidos compresibles como incompresibles, pero no siempre es necesario tenerla en cuenta. En el caso de los fluidos perfectos o no viscosos su efecto es muy pequeño y no se tiene en cuenta, mientras que en el caso de los fluidos reales o viscosos su efecto es importante y no es posible despreciarlo. En el caso del agua a veces se habla del flujo del agua seca para el flujo no viscoso del agua y del flujo del agua mojada para el flujo viscoso.

Presión.

La presión en un punto se define como el valor absoluto de la fuerza por unidad de superficie a través de una pequeña superficie que pasa por ese punto y en el sistema internacional su unidad es el Pascal (1 Pa=1N/m2). Mientras que en el caso de los sólidos en reposo, las fuerzas sobre una superficie pueden tener cualquier dirección, en el caso de los fluidos en reposo la fuerza ejercida sobre una superficie debe ser siempre perpendicular a la superficie, ya que si hubiera una componente tangencial, el fluido fluiría. En el caso de un fluido en movimiento, si éste es no viscoso tampoco aparecen componentes tangenciales de la fuerza, pero si se trata de un fluido viscoso sí que aparecen fuerzas tangenciales de rozamiento. De este modo, un fluido en reposo a una presión p ejerce una fuerza −pd~S sobre cualquier superficie plana arbitraria en contacto con el fluido en el punto, definida por un vector unitario d~S, perpendicular a la superficie. En general, la presión en un fluido depende del punto, p = p(x, y, z). Así, para un fluido en reposo la presión se define como la fuerza normal por unidad de superficie.

Compresibilidad.

Se caracteriza por el coeficiente de compresibilidad, κ, definido como

κ = −1/V* (dV/dp) que representa la disminución relativa del volumen por unidad de aumento de presión. Sus unidades son de inversa de presión, en el sistema S.I. [m2/N]. Su inversa,

K = 1/κ 

es el módulo de compresibilidad [N/m2]. Tanto κ como K dependen de la forma en que se realiza el proceso.

Dilatación térmica.

Se caracteriza por el coeficiente de dilatación de volumen, que representa el aumento relativo del volumen producido por un aumento de la temperatura, y está definida como 

αV = 1/V* (dV/dT) donde V es el volumen inicial del líquido. Sus unidades son de inversa de grados [K−1] o [◦C−1] y depende de la forma en que realiza el proceso.

GRAVEDAD ESPECÍFICA

La gravedad específica es el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad del agua a 4 °C, o, es el cociente del peso específico de una sustancia entre el peso específico del agua a 4 °C.

Estas definiciones de la gravedad especifica se pueden expresar de manera matemática como:

En donde el subíndice s se refiere a la sustancia cuya gravedad especifica se está determinando y el subíndice w se refiere al agua.

La definición matemática de gravedad específica se puede escribir como:

Esta definición es válida, independientemente de la temperatura a la que se determina la gravedad específica.

Sin embargo, las propiedades de los fluidos varían con la temperatura. En general cuando la densidad disminuye, aumenta la temperatura.

Comentario

En mecánica de fluidos, es muy importante establecer las propiedades de estos, pues de ello dependen muchos de los cálculos y trabajos que se realizan a nivel teórico y práctico. Es muy importante dentro del perfil de un ingeniero mecánico que estos conceptos están muy presentes, como preámbulo a todos los posibles campos en los que se pueden desempeñar y es por ello que se ha dado esta pequeña introducción de la materia con el fin de conceptualizar una pequeña idea de la mecánica de fluidos, a fin de que el estudio de la misma no se tan singular y novedoso para los que alguna vez la cursen. 

Referencias

Domingo, A. (s.f.). Apuntes de mecánica de fluidos. En A. Domingo, Apuntes de mecánica de fluidos (págs. 7-9).

https://www.monografias.com/trabajos85/propiedades-fluidos/propiedades-fluidos.shtml 

Clock gadget

LEYES APLICADAS EN LA MECÁNICA DE FLUIDOS

1.      Ley de Poiseuille

Vamos a considerar el caso del movimiento de un fluido viscoso con flujo laminar y estacionario a través de un cilindro o tubo cilíndrico, así el fluido se divide en capas cilíndricas que al moverse tienen una velocidad de flujo diferente en distintos puntos de una misma sección transversal de dicho tubo:

·         La capa más externa se adhiere a las paredes del tubo y su velocidad es nula.

·         La capa central tiene una velocidad de módulo máximo

Para velocidades no muy grandes el flujo es laminar con una velocidad que es máxima en el centro del tubo y disminuye hasta anularse en las paredes. El flujo es análogo a una serie de tubos o capas coaxiales que se deslizan unas sobre otras, estando la capa o tubo más externo en reposo.

La ley de Poiseuille se vincula con el caudal de fluido que circula por un conducto. En la figura se muestra un tramo de tubo bajo la presión P1 en el extremo izquierdo y la presión P2 en el extremo derecho y esta diferencia de presiones es la que hace moverse al fluido a lo largo del tubo. El caudal (volumen por unidad de tiempo) depende de la diferencia de presiones (P1 - P2), de las dimensiones del tubo y de la viscosidad del fluido. La relación entre estas magnitudes se le conoce como Ley de Poiseuille:

• El volumen de flujo por unidad de tiempo es inversamente proporcional a la viscosidad

• Es proporcional al gradiente de presión a lo largo del conducto.

• Varía con la cuarta potencia del radio del conducto que es esencial para el diseño de jeringuillas hipodérmicas. El tamaño del orificio de la aguja tiene más importancia que la presión de empuje del dedo a la hora de terminar el flujo por unidad de tiempo que inyecta la aguja.

• La diferencia entre el flujo de un fluido no viscoso (ideal) y uno viscoso se ilustra en el dibujo cuando el fluido va atravesando un tubo de sección transversal variable, donde la altura del fluido en los tubos verticales es proporcional a la presión manométrica. En el caso de un fluido viscoso hay un gradiente de presión proporcional a la viscosidad y a dv/dr e inversamente proporcional al radio del tubo.

En conclusión, la ley expresa que el caudal crece con el aumento de la diferencia de presiones y con el radio del tubo, pero disminuye al aumentar la viscosidad del fluido y la longitud del tubo. Estos resultados coinciden con las observaciones que cualquiera de nosotros haya podido hacer en las situaciones que nos rodean vinculadas a flujo de fluidos. Note que el radio del tubo influye en el caudal a la potencia 4 de modo que la disminución del radio del conducto es muy influyente en el caudal.

2.      Ley de Stokes

La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.

Cuando un objeto esférico se mueve en el seno de un fluido estacionario, o cuando un fluido ideal (η = 0) se mueve en torno a él, las líneas de corriente forma un modelo perfectamente simétrico entorno a la esfera, con la presión en cualquier punto de la superficie de la esfera situada contra corriente igual a la de cualquier punto de la superficie a favor de la corriente y la fuerza neta sobre la esfera es cero.

Si el fluido es viscoso habrá un arrastre sobre la esfera. Se puede demostrar que la fuerza viscosa viene dada en función de la viscosidad η, el radio de la esfera r, y su velocidad respecto del fluido v, en la forma:

La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa límite adherida al cuerpo.

Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el fluido.

Midiendo la velocidad límite o velocidad de sedimentación de la esfera, su radio y densidad y sabiendo la densidad del fluido se puede determinar la viscosidad del fluido.

3.      Número de Reynolds

Cuando la velocidad de un fluido que se mueve en un tubo sobrepasa un determinado valor crítico (que depende del fluido y del diámetro del tubo) la naturaleza del flujo se hace muy compleja:

 • En la capa cerca de las paredes del tubo, el flujo sigue siendo laminar, de hecho, la velocidad del flujo en la capa límite es cero en las paredes y aumenta hacia el centro del tubo.

 • Más allá de la capa límite, el movimiento es muy irregular, originándose corrientes circulares locales aleatorias denominadas vórtices que producen un aumento de la resistencia al movimiento. En estas circunstancias el régimen de flujo se llama turbulento.

 Los experimentos muestran que el que régimen de flujo sea laminar o turbulento depende de la combinación de cuatro factores que se conoce como Número de Reynolds.

donde  es la velocidad media característica del flujo,  es una longitud característica (típicamente el diámetro),  es la densidad del fluido,  es la viscosidad dinámica y  es la viscosidad cinemática.

Se denomina velocidad característica a la velocidad por debajo de la cual toda turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido.

Experimentalmente se observa que de forma aproximada para números de Reynolds

menores que 2300† el régimen de movimiento del fluido es laminar (predominan las fuerzas de rozamiento) mientras que para números de Reynolds mayores que 2300 el régimen de movimiento es turbulento (predominan las fuerzas de inercia).

Bibliografía:

7. Dinámica de Fluidos. (n.d.). Retrieved from https://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf

Ley de Poiseuille | La guía de Física. (n.d.). Retrieved May 16, 2019, from https://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/ley-de-poiseuille

Flujo y Caudal

En mecánica de fluidos, los términos flujo y caudal resultan ser muy empleados, quizá muchas de las veces las personas suelen confundir estos términos coloquialmente, no obstante, el término caudal, hace referencia a la cantidad de fluido que circula a través de la sección de un ducto (sea esta tubería. oleoducto o cañería) por unidad de tiempo, es decir la razón de circulación de un fluido a través de un ducto.

El flujo por otra parte, es nada más la cantidad de fluido que circula a través de un ducto. De lo cual, se podría decir que el caudal pasa a ser la razón de cambio del flujo.

En términos matemáticos sencillos, se puede definir al caudal como:

• ${\displaystyle Q}$ Caudal ([L³T⁻¹]; m³/s)
• ${\displaystyle A}$ Es el área ([L²]; m²)
• ${\displaystyle {\bar {v}}}$ Es la velocidad promedio. ([LT⁻¹]; m/s) 

Usos del caudal en ingeniería mecánica.

El caudal puede resultar muy útil en el campo, cuando se quiere instalar una nueva tubería por donde pasará una cierta cantidad de agua, o al momento de reparar una sección de algún poliducto u oleoducto, puesto a que nos ayuda a determinar la cantidad de fluido que atraviesa por estas superficies. Además de que permite determinar el tipo de material que se debe emplear de tal manera que el caudal no afecte la integridad de la tubería o poliducto. Aunque cabe mencionar que estos estudios se ven ligados para un cierto período de tiempo, luego de esto necesariamente se debe recurrir a realizar unos nuevos, debido a ciertos factores antropológicos. 

Si bien es cierto, al momento de hablar de colectores para ríos, pensamos que esto nada más depende de ingenieros civiles, existe un estrecho vínculo con los trabajos que debe desempeñar un ingeniero mecánico puesto a que este se encarga de realizar los estudios del caudal de los ríos, y se los envía a los civiles, para que estos determinen el tipo de material que deben emplear además del tiempo de vida útil.

Principio de Bernoulli para el flujo de un fluido a través de una tubería

En mecánica de fluidos, el principio de Bernoulli, es muy empleado para describir el comportamiento de algún fluido que atraviese una determinada tubería, considerando a este como un fluido ideal, es decir sin viscosidad ni rozamiento.

Tomando en consideración esto, para cumplir con la conservación de la energía, para un fluido ideal, se expresa lo siguiente:

·         g = aceleración de la gravedad

·     {\displaystyle \rho } = densidad del fluido

·         P = presión

Sin embargo, al tratarse de fluidos reales, estos deben vencer las resistencias debido al rozamiento del fluido con las paredes de la tubería, las cuales se pueden deber a factores como: la colocación de codos, o quizá de encogimientos en la superficie lateral de la tubería; por lo cual el flujo deberá afectar de cierta forma su energía entre las secciones 1 y 2, dependientes de la altura de la tubería, con lo que la expresión anterior se convierte en:

Donde pérdidas (1,2) representa el sumando de pérdidas continuas por rozamiento en distintas secciones transversales.

Pérdidas continuas

Las pérdidas por rozamiento son función de la rugosidad del conducto, la viscosidad del fluido, del régimen del funcionamiento y del caudal. Este último término está estrechamente ligado con la velocidad, de donde se concluye que, a mayor velocidad, existen más pérdidas.

Pérdidas localizadas

Se deben a pérdidas bruscas de energía, generalmente en presencia de salidas de depósito, codos, cambios de diámetro, válvulas, etc. Estas se dan entre dos secciones donde se aplica el principio de Bernoulli.

Estas pérdidas localizadas, generalmente se dan en función de la velocidad, y se ajustan a expresiones tipo:

Donde  es la pérdida localizada y los coeficientes k, se encuentran tabulados o son proporcionados por los fabricantes piezas para conducciones.

Clasificación del flujo:

Permanente o estacionario: las características medias no varían con el tiempo.

Variable o transitorio:  varía con el tiempo (BC), por ejemplo cuando se maniobran válvulas

Uniforme: la velocidad no varía en el trayecto entre 1 y 2 es decir, el caudal es constante.

No uniforme:  varía entre 2 y v. El caudal es variante.

Laminar: es un flujo ordenado, en la misma dirección de la velocidad

Turbulento: es más desordenado, no es completamente paralelo a la velocidad.

PRINCIPIO DE CONTINUIDAD
Supongamos que a una canilla abierta que posee un cierto caudal le enchufamos una manguera. Después de un rato en que nos aseguramos que el flujo se estabiliza (o sea: logramos un flujo estacionario) no está mal decir que la canilla vierte en un extremo de la manguera una cierta cantidad de agua en una cierta cantidad de tiempo. Inventemos: por ejemplo, 10 litros por minuto. ¿Cuál es el caudal en el otro extremo de la manguera? La pregunta es tan tonta que parece absurda: 10 litros por minuto. La misma cantidad que entra por una punta sale por el otro extremo en el mismo intervalo de tiempo.

Decir esto es lo mismo que decir: en todo el trayecto de la manguera no se crea ni se destruye agua. Todo lo que entra, sale (por supuesto, la manguera no debe estar pinchada). A esta cuestión tan sencilla se la llama principio o ecuación de continuidad y no es nada más ni nada menos que la forma que adopta el principio de conservación de la materia en el barrio de los fluidos.

Si llamamos Q₁ al caudal en un extremo y Q₂ al caudal en el otro podemos resumir todo lo dicho escribiendo:

Q₁ = Q₂

Si combinamos esta obviedad -fundamental- con la relación velocidad-área que te expliqué recién, nos queda:

A₁ . v₁ = A₂ . v₂

Y esta expresión tiene sorpresa: por un lado, nos dice que en todas las partes de la manguera el líquido se va a mover a la misma velocidad... mientras no cambie la sección de la manguera (que es lo más común en las que venden en la ferretería). Pero, por otro lado, también nos dice que en todo conducto de sección variable.

Fuentes:

https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli

https://www.monografias.com/trabajos104/mecanica-fluidos-propiedades-y-definiciones/mecanica-fluidos-propiedades-y-definiciones.shtml

https://es.wikipedia.org/wiki/Caudal_(fluido)

https://ricuti.com.ar/no_me_salen/hidrodinamica/FT_caudal.html