Introducción a la mecánica de fluidos y propiedades fundamentales
Introducción
Bienvenido al curso de Mecánica de Fluidos ofertado dentro de la Licenciatura de Ingeniería en Energías Renovables. En esta primera clase se ahondará en los fundamentos básicos necesarios para la comprensión de la materia, iniciando por responder a la pregunta ¿qué es la mecánica de fluidos? Además, ahondaremos en las propiedades fundamentales requeridas para su análisis, los tipos de análisis y algunos conceptos clave que ya has estudiado en cursos previos. Sin más que añadir, comencemos.
Desarrollo del tema
Partamos del hecho de que la palabra fluido se refiere a una cantidad de materia que presenta propiedades como la densidad, la viscosidad o conductividad; sumado a la palabra mecánica; que hace referencia a una rama de la física encargada de estudiar el movimiento y equilibrio de los cuerpos, así como de las fuerzas que los producen. Así, se puede inferir que la mecánica de fluidos es el área de conocimiento encargada del estudio de las fuerzas que generan el movimiento y equilibrio de fluidos. Comúnmente asociamos la diferencia entre sólidos y fluidos a partir de que el sólido puede resistir esfuerzos cortantes por una deformación estática, mientras que el fluido no: los fluidos se mueven y deforman continuamente.
En la naturaleza se conocen dos tipos de fluidos: líquidos (como agua) y gases (como aire); sin embargo, también, se pueden considerar fluidos a sólidos en movimiento, ejemplo de ello es el flujo de arena a través de una banda transportadora como un fluido. Todos los fluidos presentan características intrínsecas importantes que impactan en su estudio, como la densidad y la viscosidad.
En términos simples, la densidad de un fluido, 𝝆, es la relación presente entre una cantidad de materia (cantidad de moléculas) y el volumen que ocupa esta materia (un espacio definido). Cabe mencionar que esta propiedad es directamente dependiente de la temperatura en la que se encuentra la materia debido a sus movimientos intermoleculares. Así, para el caso del agua a condiciones de saturación (10 ºC y 1 atm), la densidad del agua es de 999.98 kg/m3, que para fines ingenieriles se aproxima a 1000 kg/m3. A medida que se aumenta la temperatura del agua, la densidad se ve reducida y viceversa.
Te invito a ver el siguiente video referente a la densidad para aclarar este concepto:
Por otra parte, la viscosidad de un fluido se divide en dos tipos:
- Viscosidad dinámica: 𝝁
- Viscosidad cinemática: 𝝂.
Para el primer caso, esta propiedad representa la relación entre el esfuerzo cortante y un gradiente de velocidad, lo cual permite que las moléculas de un fluido permanezcan unidas evitando la dispersión. Por otra parte, la viscosidad cinemática se determina como la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido ( 𝝁 / 𝝆 ). Para el caso del agua (fluido en fase líquida) a condiciones estándar (20ºC, 1 atm), la 𝝁 es 1.009×10-3 kg/m-s, y 𝝂 es 1.011×10-6 m2/s. A medida que la temperatura del fluido aumente, ambas viscosidades se ven reducidas. Sin embargo, para el caso del aire (fluido en fase gaseosa) a las mismas condiciones estándar, 𝝁 es 1.81×10-6 kg/m-s, y 𝝂 es 1.51×10-6 m2/s y, a medida que la temperatura aumenta, ambas viscosidades se ven aumentadas. Este comportamiento invita a pensar que existe una diferencia del comportamiento de la viscosidad con respecto a la temperatura al incrementar en los líquidos cuando ésta aumenta y viceversa, para el caso de los gases. Además, la viscosidad dinámica en los líquidos es mucho mayor que en los gases.
Existen dos conceptos altamente asociados a la mecánica de fluidos: la presión y la velocidad. La presión se define como la relación que existe entre una fuerza aplicada de forma perpendicular sobre una superficie dada; así, un fluido estático genera presión sobre una compuerta de una represa debido a la fuerza que contiene gracias a su densidad. Por otra parte, un fluido en movimiento genera una presión sobre las paredes de una tubería que lo transporta debido a la fuerza que genera como resultado de su inercia (densidad) y velocidad. Así, se conocen varios tipos de presiones, tales como la absoluta, la manométrica o la presión de vacío, etc.
A la presión absoluta se le denomina también presión estática debido a que no incorpora efectos dinámicos (velocidades de fluidos) y que, sumado a la presión dinámica:
Se obtiene la presión de estancamiento que describe completamente a un fluido en movimiento:
Te invito a ver los siguientes videos para una mejor comprensión de estos conceptos:
Finalmente y como se mencionó anteriormente, la velocidad es el otro concepto clave en la mecánica de fluidos. Este concepto hace énfasis en una distribución espacio-tiempo de las propiedades del fluido a fin de determinar la trayectoria individual de las partículas o del sistema. Cabe mencionar que se tienen dos puntos de vista diferentes para el análisis de problemas mecánicos en general:
- Análisis Euleriano
- Análisis Lagrangiano
Para el caso de la mecánica de fluidos, el análisis Euleriano es el más adecuado, ya que se centra en el campo del flujo, esto es, el campo de velocidades y presiones como una función del entorno y el tiempo:
Dentro de un medio continuo representado por un volumen de control definido.
Caso contrario es el análisis Lagrangiano, que solo se centra en el movimiento de una partícula individual a través del flujo. Para un fluido compuesto por millones de moléculas, se requiere un mismo número de ecuaciones a fin de poder describir el movimiento de cada una de las partículas. Así, la velocidad de un fluido está dada por un vector definido por las velocidades presentes en cada una de las direcciones dentro de un marco de referencia (coordenadas rectangulares, esféricas o cilíndricas) y dependientes del tiempo. A partir de este campo de velocidades y en conjunción con la geometría del sistema de estudio, las propiedades del fluido y la Ley de conservación de masa se puede determinar el caudal de una línea de corriente, así como el flujo másico de la misma.
Te invito a revisar los siguientes videos para comprender a profundidad los conceptos revisados:
Revisa más a detalle en la literatura Fluid Mechanics, F.M. White, páginas 3 a la 35 (Clase 1.pdf).
Conclusión
En esta clase definimos la mecánica de fluidos como la rama que permite determinar el comportamiento de los fluidos en condiciones dinámicas y estáticas. Además, definimos cómo este tipo de análisis se basa en propiedades fundamentales de los fluidos tales como la presión, la velocidad, la temperatura, la densidad y viscosidad. Dependiendo del tipo de análisis se pueden observar diferentes comportamientos de estas propiedades. El análisis Euleriano es el tipo de análisis más usado en la mecánica de fluidos, ya que permite definir el comportamiento de un fluido como un “todo” dentro de un volumen de control definido. Continuamos en la siguiente clase, no olvides realizar tus consignas.