Introducción a los Fluidos

¿Qué es un fluido?

Es una sustancia que fluye libremente y que tiende a adoptar la forma del recipiente que la contiene.

Tipos de Fluidos

Los líquidos y los gases son considerados fluidos.

¿Cómo se llama la parte de la física que estudia los fluidos?

Se denomina Mecánica de Fluidos.

Hidráulica: El Estudio de los Líquidos

La Hidráulica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las leyes que rigen el comportamiento de los líquidos.

La hidráulica se subdivide en:

• Hidrostática: Estudia los líquidos en reposo.
• Hidrodinámica: Estudia los líquidos en movimiento.

Propiedades de los Líquidos

¿Qué es la viscosidad?

Es la medida de la resistencia interna de un líquido a fluir. La viscosidad se debe a la fricción entre las moléculas del líquido.

¿Qué es la tensión superficial?

Es la resistencia que opone la superficie libre de un líquido a aumentar su área. Es responsable de que algunos insectos puedan caminar sobre el agua o de la formación de gotas.

¿Qué es la cohesión?

Son las fuerzas intermoleculares de atracción que mantienen unidas a las moléculas de una misma sustancia (en este caso, un líquido).

¿Qué es la adhesión?

Son las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas de un líquido y las moléculas de la superficie de un sólido en contacto con él.

¿Qué es la capilaridad?

Es el ascenso o descenso espontáneo de un líquido dentro de un tubo de diámetro muy pequeño (tubo capilar).

• Si la adhesión (líquido-sólido) es mayor que la cohesión (líquido-líquido), el líquido sube por el tubo y forma un menisco cóncavo (ej. agua en vidrio).
• Si la adhesión es menor que la cohesión, el líquido desciende por el tubo (o no sube) y se forma un menisco convexo (ej. mercurio en vidrio).

¿Qué es la densidad?

La densidad (ρ) de una sustancia es la cantidad de masa contenida por unidad de volumen. En el Sistema Internacional (SI), se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m³).

¿Qué es el peso específico?

El peso específico (γ) de una sustancia es el peso de esta contenido por unidad de volumen. Se calcula como el producto de la densidad por la aceleración de la gravedad (γ = ρg) y se mide en newtons por metro cúbico (N/m³) en el SI.

Presión en Fluidos

¿Qué es la presión?

Es la relación entre la magnitud de una fuerza perpendicular aplicada y el área sobre la cual actúa (P = F/A).

Presión Hidrostática

Si la fuerza la ejerce un líquido en reposo dentro de un recipiente, la presión que se manifiesta en algún punto dentro del líquido, debida a su propio peso, se denomina presión hidrostática. Aumenta con la profundidad.

Presión Atmosférica

La Tierra está rodeada por una capa de aire llamada atmósfera. Debido a su peso, la atmósfera ejerce una presión sobre todos los cuerpos que están en la superficie terrestre. A esta presión se le denomina presión atmosférica, la cual varía con la altitud (disminuye al aumentar la altura) y las condiciones meteorológicas.

La presión atmosférica se mide comúnmente con un instrumento llamado barómetro, inventado por el físico italiano Evangelista Torricelli. A partir de su experimento, la presión atmosférica a nivel del mar se toma como referencia y a menudo se mide en milímetros de mercurio (mmHg).

¿Qué es la presión manométrica?

Es la diferencia entre la presión absoluta o real en un punto y la presión atmosférica. Es la presión medida por encima de la presión atmosférica local. El instrumento con el que se mide la presión manométrica se llama manómetro.

Si la presión medida está por debajo de la presión atmosférica, se habla de presión de vacío o simplemente vacío, y el instrumento que la mide se denomina vacuómetro.

¿Qué es la presión absoluta?

Es la presión total en un punto, medida respecto al vacío absoluto (presión cero). Se relaciona con las otras presiones de la siguiente manera:

• Por encima de la presión atmosférica: Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica.
• Por debajo de la presión atmosférica: Presión absoluta = Presión atmosférica – Presión de vacío.

Principios Fundamentales de la Mecánica de Fluidos

Principio de Pascal

El físico francés Blaise Pascal enunció que: «La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido«. Este principio es la base del funcionamiento de las prensas hidráulicas, frenos hidráulicos y elevadores.

¿Qué establece el principio de Arquímedes?

Establece que: «Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido (líquido o gas) en reposo experimenta un empuje vertical hacia arriba (fuerza de flotación) igual al peso del volumen del fluido desalojado«.

La flotación de un cuerpo depende de la relación entre su peso y el empuje:

• Si el empuje es menor que el peso del cuerpo, este se hunde.
• Si el empuje es mayor que el peso del cuerpo, este flota (parcialmente sumergido).
• Si el empuje es igual al peso del cuerpo, este permanece en equilibrio dentro del fluido (totalmente sumergido).

Fluidos en Movimiento (Hidrodinámica)

¿Qué es el Gasto (Q) o Caudal?

Es el volumen de un fluido que atraviesa una sección transversal de un conducto por unidad de tiempo (Q = V/t = A*v, donde A es el área y v la velocidad).

Ecuación de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Representa el principio de conservación de la energía para fluidos en movimiento.

¿Qué tipos de energía considera la Ecuación de Bernoulli?

Un fluido en movimiento posee tres tipos de energía por unidad de volumen:

• Energía cinética: Debida a la velocidad del fluido.
• Energía potencial gravitatoria: Debida a la altitud (altura) del fluido.
• Energía de flujo (o de presión): Debida a la presión del fluido.

La ecuación establece que la suma de estas tres energías es constante a lo largo de una línea de corriente.

Teorema de Torricelli

Es una aplicación de la ecuación de Bernoulli y establece que: «La velocidad de salida de un líquido por un orificio situado a una profundidad h por debajo de la superficie libre del líquido en un recipiente abierto es la misma que adquiriría un cuerpo cayendo libremente desde una altura h» (v = √(2gh)).

Instrumentos de Medición en Fluidodinámica

¿Qué es el Tubo de Pitot?

Es un instrumento utilizado para medir la presión total (suma de la presión estática y la presión dinámica) en un punto de una corriente fluida. Esto permite determinar la velocidad del flujo en ese punto. Se usa comúnmente para medir la velocidad del aire en aeronáutica o la velocidad del agua en corrientes abiertas (ríos, canales).

¿Qué es el Tubo de Venturi?

Es un dispositivo que se utiliza para medir la velocidad y el caudal (gasto) de un fluido incompresible que circula a través de una tubería cerrada.

Consiste en una sección de tubería con un estrechamiento gradual (garganta) seguido de una expansión también gradual. Al pasar el fluido por la garganta, su velocidad aumenta y su presión disminuye (efecto Venturi), de acuerdo con el principio de Bernoulli y la ecuación de continuidad (conservación de la masa).

Para el análisis del tubo Venturi, usualmente se designa la sección ancha de entrada como punto 1 y la sección más estrecha (garganta) como punto 2, aplicando las ecuaciones correspondientes entre estos dos puntos.