Cinemática de Fluidos
Introducción
Bienvenidos nuevamente al curso de Mecánica de fluidos, en esta tercera clase se revisarán los conceptos referentes a la cinemática de fluidos considerando fluidos ideales, esto es, fluidos que no consideran efectos de compresibilidad ni fricción en contacto con una superficie a lo largo de su trayectoria. Revisaremos varios ejemplos de estos tipos de análisis y se hará énfasis en las consideraciones a tomar en cuenta.
Desarrollo del tema
La palabra cinemática, proviene del griego kineema que significa movimiento o agitación. En base a esto, podemos inferir que la cinemática de fluidos es la rama encargada de estudiar el movimiento de los fluidos. Un fluido se puede clasificar dependiendo de sus características, cómo fluidos ideales o fluidos reales. A groso modo, los fluidos ideales son aquellos que no presentan fricción durante su desplazamiento, esto es, 𝝁=0. Claramente este tipo de fluidos no existen en la naturaleza, sin embargo, este tipo de análisis presenta buenos resultados en diferentes áreas de aplicación, principalmente en sistemas donde su geometría representa un reto importante.
Partiendo de este hecho, retomemos la ecuación de Bernoulli estudiada en clase anterior, la cual está definida como:
Puedes notar que esta ecuación no considera los efectos de fricción generados por la viscosidad del fluido, además de considerar a éste como un fluido incompresible. Así, esta ecuación puede ser aplicada entre dos puntos cualquiera en un flujo de un fluido, permitiendo con ello determinar la relación presente entre la velocidad y la presión aunado a un cambio de altura.
Uno de los ejemplos más cotidianos en los que se puede aplicar esta ecuación es en la descarga del tinaco colocado en la parte superior de tu casa. Si el tinaco está lleno de agua potable y abres la llave de paso, este empezará a descargarse, dejando que el agua fluya a una velocidad determinada. Si consideramos que el nivel del agua dentro del tinaco es H y que este depósito está abierto al ambiente (no tiene tapadera), así como que el diámetro del tanque es mucho mayor que el diámetro de salida del agua, y teniendo al estado 1 como la salida del agua y al estado 2 como la capa superior del agua dentro del tinaco, se tiene que:
Por lo cual,
Y por ende, la velocidad del fluido a la salida del tanque estará afectada de forma no lineal únicamente por los efectos gravitacionales y la altura que presente el agua dentro del sistema.
Por otra parte, si el sistema estuviera cerrado en su parte superior quedando una columna de aire entre la superficie del fluido y la superficie inferior de la tapa, se tendría que:
Por lo cual,
Y por ende, la velocidad del fluido a la salida del tanque estará afectada por lo mencionado anteriormente, sumado a la presión que pueda ejercer el aire dentro del espacio definido.
Te invito a ver el siguiente video para aclarar aún más lo planteado en esta clase:
Se pueden analizar una gran variedad de casos considerando el movimiento del fluido, solamente hay que tener en cuenta que este análisis es idealizado (no se considera la viscosidad ni la compresibilidad del fluido) y por ende, se genera un error con respecto a la realidad que dependiendo de la aplicación puede ser despreciable o de alto impacto.
Te invito a leer el siguiente archivo: Clase 3.
Conclusión
La Cinemática de Fluidos en su estado más idealizado parte del Principio de Bernoulli. Un fluido ideal es aquel en el que no se consideran efectos viscosos (efectos de fricción entre el fluido y la superficie por donde fluye) así como una densidad constante (incompresible). El uso de este tipo de análisis idealizados es adecuado cuando se trabaja con geometrías poco comunes, generando buenas aproximaciones bajo las consideraciones adecuadas. Te invito a realizar las lecturas propuestas así como el realizar las consignas que se te indican.