Propiedades de los Fluidos

Fluidos

Un fluido es cualquier sustancia que presenta la propiedad de que una porción de la misma puede desplazarse respecto a otra; es decir, puede fluir venciendo las fuerzas de atracción entre las moléculas.

Tensión Superficial

Propiedad exclusiva de los líquidos. Se define como las fuerzas de atracción entre las moléculas de la superficie de un líquido por unidad de longitud. En un fluido en reposo, las fuerzas de atracción de las moléculas son nulas porque está en reposo y las fuerzas se anulan. Debido a la tensión superficial, la superficie de los líquidos se presenta como una membrana elástica resistente a la ruptura. Si hay una molécula en el seno de un líquido, estará en equilibrio, pero si está cerca de la superficie, las fuerzas de atracción dan una resultante dirigida hacia el seno del líquido, que es máxima cuando la molécula está en la superficie. Por esto, si queremos desplazar una molécula desde el seno hasta la superficie de un líquido, tendremos que vencer esta fuerza realizando un trabajo, que se almacenará en la superficie del líquido como energía potencial. La tensión superficial se opone al aumento de la superficie del líquido.

Viscosidad

Rozamiento interno que experimentan dos capas de un fluido cuando resbalan una sobre otra. Solo se manifiesta en líquidos en movimiento. Las acciones de contacto entre dos partes de un fluido no son siempre normales a la superficie de separación, de modo que la componente tangencial de dicha acción actúa como una fuerza de rozamiento que se opone al desplazamiento de una parte del fluido respecto a la otra. Se observa que aparece una fuerza tangencial entre ellas, de modo que la capa más rápida arrastra a la más lenta y esta fuerza vale, según Navier: F = ηSdv/dh. También existe la viscosidad cinemática, que es igual a la viscosidad dinámica entre la densidad.

Principios Fundamentales de la Mecánica de Fluidos

Principio de Pascal

La presión ejercida en un punto cualquiera de un fluido se transmite completamente a todos los puntos del mismo. En este principio se fundan la prensa hidráulica, los frenos hidráulicos, etc. La prensa hidráulica consta de dos recipientes comunicados entre sí, sobre los que actúan dos émbolos con diferentes superficies. Si sobre el menor se ejerce una fuerza, la presión producida se transmite a través del líquido contenido en el recipiente, llegando hasta el émbolo mayor con igual intensidad. La presión es igual en ambos cilindros. En los frenos hidráulicos, la presión ejercida sobre la palanca de pie por el conductor se transmite por medio de aceite y acciona las cintas que actúan sobre los tambores de las ruedas.

Principio de Arquímedes

Cuando un cuerpo está sumergido en un fluido, este ejerce sobre el cuerpo una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desalojado por él. Esta fuerza se llama empuje y está aplicada en el centro de gravedad de la masa de fluido desplazada. Hay tres casos.

Fenómenos Capilares

La superficie de separación de dos cuerpos presenta propiedades peculiares debido a que las moléculas de ambos, situadas en las proximidades de la superficie común, no se encuentran en las mismas condiciones que las alojadas en sus masas respectivas. Por esto, esta superficie común debe ser el asiento de fenómenos de carácter especial que se manifiestan cuando alguno de los cuerpos en contacto es un fluido, porque, por su deformabilidad, cualquier asimetría en las acciones da lugar a cambios y son capaces de denunciar la existencia de las causas que los producen. Se llaman fenómenos capilares los que se presentan en las superficies, líneas y puntos de contacto de un líquido con otro cuerpo cualquiera. Los líquidos están compuestos por moléculas, estas se atraen entre sí por las fuerzas de cohesión. Cada una atrae y es atraída por las demás.

Presión Debida a la Curvatura

En toda la superficie curva de un líquido existen presiones que crean fuerzas hacia el centro de curvatura. La superficie puede tener una, dos curvaturas o ser esférica; entonces, el radio de curvatura puede ser positivo (si el centro de curvatura está en el interior del líquido, superficies convexas) o negativo, al revés. Bajo las superficies convexas existe una sobrepresión y una depresión en las cóncavas. La pompa de jabón tiene dos superficies (interior y exterior que constituyen la pared de la pompa); al ser sus radios iguales, originan iguales sobrepresiones. En el interior de una pompa o burbuja existe un exceso de presión del gas interior sobre la presión atmosférica. La presión interna de la pompa será 4 * tensión superficial / radio. Esto explica que cuando dos pompas de jabón se ponen en contacto, la mayor aspira a la pequeña, ya que la grande, al ser mayor el radio, tiene menor presión interna.

Ley de Tate

La gota se desprende del tubo en el momento en el que su peso es igual a la tensión superficial que la sostiene y que actúa a lo largo de la circunferencia del extremo del tubo. Debido a que la gota no se desprende inmediatamente cuando sale del tubo, la fórmula es P = k2πr * tensión superficial. Esta es la ley de Tate: el peso de la gota es proporcional al radio del tubo y a la tensión superficial. Esta ley nos permite conocer sigma. Cuentagotas.

Superficie de Corriente y Aplicaciones del Teorema de Bernoulli

Superficie de Corriente

Lugar geométrico de las líneas tangenciales en el instante considerado a los vectores velocidad. Un tubo de corriente es una superficie de corriente formada por las líneas de corriente que pasan por los puntos de una línea cerrada; siempre es paralela a la velocidad de las partículas de fluido. El fluido que penetra por una superficie sale por otra (si no hay manantiales ni sumideros).

Aplicaciones del Teorema de Bernoulli

Efecto Venturi: Establece que cuando un fluido aumenta su velocidad sin variar de nivel, su presión disminuye. Tubo de Pitot: Este dispositivo se usa para medir la velocidad de los fluidos. Es un tubo acodado en ángulo recto, con una de sus aberturas frente a la corriente. Debido a la presión del líquido, este se eleva en el tubo hasta una cierta altura. Aplicando Bernoulli: v = √(2gh). Teorema de Torricelli: Se refiere a la velocidad de salida de un líquido por un orificio en una pared delgada del recipiente que lo contiene. Aplicando Bernoulli, la velocidad de salida en el instante en el que la profundidad es h es: v = √(2gh). Esto nos indica que la velocidad de salida es la misma que tendría en dicho punto un cuerpo que cayera libremente desde la superficie libre hasta el centro del orificio y no depende de la densidad del líquido. Evidentemente, si no mantenemos h constante (añadiendo líquido), la velocidad de salida será cada vez menor. El caudal de salida del líquido por el orificio, cuando la profundidad es h, es: Q = S * √(2gh).

Equilibrio de los Cuerpos Flotantes

La fuerza de empuje pasa siempre por un punto fijo del cuerpo llamado centro de empuje. Si el cuerpo flota, el centro de empuje es variable con la posición del cuerpo, ya que depende de la forma de la parte sumergida. El centro de empuje coincide con el centro de gravedad del cuerpo en los sólidos homogéneos. Si no es homogéneo, las fuerzas de empuje y el peso originan un par que tiende a colocar el centro de empuje por encima del centro de gravedad y en la misma vertical. Para que sea estable el equilibrio de los cuerpos flotantes, es suficiente que el centro de gravedad esté por debajo del centro de carena y en la misma vertical. Puede haber equilibrio aun cuando dicho centro de gravedad ocupe, en la vertical que pase por el centro de carena, una posición más alta que la de este. Al inclinarse un buque, su forma varía y, por tanto, el centro de carena cambia de posición y se origina un par de fuerzas que tiende a restablecer el equilibrio del cuerpo. El punto en que la vertical que pasa por el centro de carena corta al eje del buque se llama metacentro, y a la distancia GM = h, distancia metacéntrica. Siempre que M quede por encima de G, el equilibrio es estable; si no, el cuerpo volcará. El valor del momento recuperador será = mg * MG. El módulo valdrá = mgh * sen(a), y si consideramos pequeñas oscilaciones, entonces = mgha. Cuanto más grande sea h, mayor será el momento recuperador. Este momento no solo lleva al buque a la posición vertical, sino que, por inercia, sobrepasa esta posición en sentido contrario y se inicia un movimiento oscilatorio, cuyo periodo, considerando al buque como un rígido de radio de giro R, será: T = 2π * √(I/mgh) = 2π * √(R²/gh). Es decir, que cuanto mayor sea h, menor es el periodo. En la práctica, suele darse a h un valor intermedio que garantice la seguridad sin disminuir el periodo a límites intolerables.