Estática de Fluidos
Introducción
Hola nuevamente, en esta clase nos involucramos en lo concerniente a la estática de fluidos, partiendo de su definición y consideraciones específicas desde dos principios indispensables para la mecánica de fluidos y, en específico, para los fluidos estáticos. También revisaremos ejemplos de su aplicación y análisis a fin de aclarar el impacto que esta área tiene en los diferentes campos de la ingeniería y ciencias. Sin más que decir, comencemos.
Desarrollo del tema
Analicemos la palabra estática. Esta palabra deriva del griego statikos, dividida a su vez en statos = estar parado en equilibrio y tikos = relativo al que; por lo cual se puede inferir que la estática de fluidos se encarga de estudiar a los fluidos que se encuentran estáticos y en equilibrio. Dentro de todos los cursos previos que has tomado, se te ha indicado que esta condición estática se representan como:
Derivado de la 1ra Ley de Newton, esto es, todas las fuerzas actuando sobre el cuerpo de estudio (partícula) se anulan entre sí. Sin embargo, pensemos ahora en un fluido, el cual está compuesto por muchas partículas que están en deformación constante y que se adaptan a la forma del recipiente que lo contenga. Si quisiéramos determinar las fuerzas sobre cada partícula se volvería un caos impresionante. Para los fluidos, la presión considera tanto las fuerzas que interactúan, sobre todas las moléculas del fluido, así como las superficies en las que actúan. En consiguiente, para el caso de la estática de fluidos, la distribución de las presiones es la encargada de determinar este fenómeno, considerando los cuerpos flotantes o sumergidos con los que se interactúa.
Recordemos un poco los cursos de termodinámica. La Primera Ley de la Termodinámica refiere a la conservación de la energía de un sistema, esto es, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. En base a este principio, podemos inferir que todos los tipos de energía que puede presentar un fluido (cinética, potencial, cambio de presión, pérdidas por fricción, energía suministrada o retirada al fluido, etc.) están en interacción constante o, en su caso, no están presentes o se desprecian en el sistema. Así, al hablar de fluidos sin movimiento, (cuando la velocidad del fluido es cero), hacemos referencia a una condición particular del fluido llamada condición hidrostática en la cual, la energía derivada de los cambios por presión y la energía potencial tiene el mayor impacto en el sistema.
Hagamos un paréntesis a fin de introducir dos principios ampliamente conocidos en la mecánica de fluidos, que fueron postulados hace más de 400 años y que han permitido el desarrollo de ciencia y tecnología hasta el día de hoy.
I. Principio de Pascal
En el siglo XVI, Blaise Pascal demostró que la presión que se ejerce sobre el fluido se va a extender por igual a través de todas las paredes en donde el fluido está confinado, siempre y cuando se cumplan las siguientes dos condiciones:
- Las paredes del recipiente sean rígidas, y
- En el fluido no se cambien sus dimensiones espaciales por más presión que se ejerza sobre éste, esto es, el fluido no se comprima (líquidos).
Así, este principio se define matemáticamente como:
Observa el siguiente video para una mejor comprensión
II. Principio de Bernoulli
En el siglo XVII, Daniel Bernoulli mostró su teorema referido a la relación que se tienen entre tres tipos de energía dentro de un sistema y su conservación: cinética; potencial y cambio de presión. En este teorema se considera un fluido ideal o isentrópicos (no existen pérdidas por fricción ni rozamiento, ni tampoco por turbulencia) y adiabáticos. Además, en su forma más simple, se consideran las propiedades del fluido como constantes (fluidos incompresibles). Así, este teorema permite relacionar las presiones presentes en un fluido con las velocidades que éste tenga y los efectos de altura sujetos a un campo gravitacional. Matemáticamente hablando, este principio se define como:
Revisa el siguiente video para una mejor comprensión:
Retomando el tema, en base a las condiciones definidas para la estática de fluidos (v=0) y aplicada al Principio de Bernoulli, se demuestra que la hidrostática es descrita a partir de los cambios de presión y altura que el fluido tenga dentro de un campo gravitacional
Este es el principio fundamental en el que se basa la estática de fluidos, la cual tiene su principal aplicación en los manómetros, equipos de medición de presión usados en mayor medida y que se enfocan en determinar el cambio de presión presente en un sistema a partir de la variación de alturas que un fluido muestra con respecto a otro fluido con densidad diferente.
Por otra parte, el Principio de Pascal permite generar equipos capaces de generar fuerzas mayores a las fuerzas aplicadas, tales como los gatos hidráulicos. Esto es posible gracias a la relaciones entre áreas que poseen. De igual forma, este principio permite determinar las fuerzas generadas por columnas de fluido sobre cuerpos sólidos, tales como las compuertas de una represa. Así, de forma resumida, tenemos lo mostrado en el diagrama conceptual siguiente:
Te invito a revisar el Capítulo 2 del Fluid Mechanics, F.M. White, páginas 59 a la 101 (Clase 2.pdf) para una mejor comprensión.
Conclusión
La estática de fluidos parte de dos principios fundamentales: El Principio de Pascal y el Principio de Bernoulli. Estos principios permiten definir el comportamiento de los fluidos estáticos (v=0), este concepto se conoce como hidrostática. La aplicación de estos conceptos permite el diseño de sistemas hidráulicos, diseño de estructuras sujetas a fluidos tales como las represas y, principalmente, dispositivos capaces de medir la presión presente en un entorno o sistema de interés. Te invito a observar los videos y realizar las lecturas que se te indican, así como a realizar las consignas asignadas.
Fuentes de información
xxx