Mecánica de Fluidos: Principios, Aplicaciones e Impacto Fundamental

La mecánica de fluidos es un amplio estudio del comportamiento de fluidos (líquidos, gases, sangre y plasmas) en reposo y en movimiento. Tiene una amplia gama de aplicaciones hoy, abarcando ingeniería mecánica y química, sistemas biológicos y astrofísica. La mecánica de fluidos estudia particularmente las fuerzas que produce el fluido.

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, ramas, propiedades, antecedentes históricos de la mecánica de fluidos. También estarás expuesto a lo siguiente:

• Mecánica de fluidos con mecánica del continuo.
• Fluidos no viscosos y viscosos.
• Fluidos newtonianos versus no newtonianos. La ecuación del fluido newtoniano también se discutirá.

¿Qué es la mecánica de fluidos?

La mecánica de fluidos puede definirse como el estudio del comportamiento de líquidos y gases, especialmente las fuerzas que producen. Como se mencionó, es el estudio de fluidos en reposo (estática de fluidos) y en movimiento (dinámica de fluidos). También puede definirse como una sustancia que se deforma continuamente (fluye) bajo esfuerzo cortante aplicado. Se deforma independientemente de la magnitud del esfuerzo aplicado.

Líquidos, gases, plasmas y, en cierta medida, sólidos plásticos son buenos ejemplos de fluidos. Un fluido no ofrece resistencia interna al cambio de forma y debe tomar la forma de su contenedor.

La imagen anterior muestra el comportamiento de líquidos, gases y plasma en un contenedor.

La mayoría de disciplinas científicas han mostrado interés en la mecánica de fluidos. Por ejemplo, los físicos estudian el flujo de gases de temperatura extremadamente alta a través de campos magnéticos. Esto ocurre en la búsqueda de un método aceptable para aprovechar la energía de reacciones de fusión nuclear. Los ingenieros mostraron interés por las fuerzas producidas por fluidos usadas para fines prácticos. Ejemplos incluyen diseño de aerofolios, propulsión a chorro, turbinas eólicas y frenos hidráulicos.

Debes entender que la mecánica de fluidos estudia fluidos en reposo y en movimiento. Un fluido puede definirse como material que se deforma continuamente bajo carga constante. Cinemática, esfuerzo, conservación, regulación y constitución son cinco términos importantes útiles en problemas de mecánica de fluidos. Estos problemas varían según la elección del sistema de interés y el volumen de interés, que gobiernan la simplificación de cantidades vectoriales.

Antecedentes históricos de la mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos ha jugado un papel vital en la vida humana y continuará haciéndolo. Por eso ha atraído a muchas mentes curiosas. En la antigua Grecia, se realizaron trabajos teóricos sistemáticos. En el siglo XVI, comenzó el desarrollo de ecuaciones gobernantes del flujo de fluidos. En los siglos XVIII y XIX, las leyes de conservación de masa, momentum y energía se conocieron en su forma más general. En el siglo XX, los desarrollos fueron teóricos, experimentales y recientemente numéricos. Soluciones de ecuaciones gobernantes para casos especiales se proporcionaron en el campo teórico. Métodos experimentales se emplearon para medir velocidades de flujo y propiedades de fluidos. Usando computadoras, el tratamiento numérico de problemas de mecánica de fluidos abrió nuevas perspectivas en investigación. La creencia común en el siglo XXI es que las actividades serán más intensivas en desarrollo de nuevas herramientas experimentales y numéricas, y su aplicación para desarrollar nuevas tecnologías.

Aplicaciones de la mecánica de fluidos

Con la gran mayoría de observaciones hoy, la vida sería imposible sin fluidos. Esto significa que la atmósfera y océanos que cubren el planeta son fluidos. La mecánica de fluidos sirve a propósitos científicos y prácticos ilimitados. Atrae casi todos los campos de especialización, aunque se describe por una teoría de campo no lineal y porque los fenómenos de fluidos son fácilmente observables. Las aplicaciones incluyen matemáticos, físicos, biólogos, geólogos, oceanógrafos, científicos atmosféricos y casi todo tipo de ingeniería. Hoy, artistas se han sentido atraídos para estudiar, aprovechar y explotar la mecánica de fluidos para crear y probar técnicas formales y computacionales para entender mejor el mundo natural e intentar mejorar la condición humana.

Las aplicaciones involucran transporte, procesamiento de materiales y manufactura, generación y conversión de energía, infraestructura civil y producción de alimentos.

Principales ramas de la mecánica de fluidos

Estática de fluidos:

Esta rama también se conoce como hidrostática. Es el estudio de fluidos en reposo y abarca el estudio de condiciones bajo las cuales los fluidos están en reposo en equilibrio estable. La hidrostática da explicaciones físicas para muchos fenómenos cotidianos: por qué la presión atmosférica cambia con la altitud, por qué la madera y el aceite flotan en el agua, y por qué la superficie del agua siempre es nivelada sin importar la forma del recipiente.

La hidrostática es la base de la hidráulica, el transporte y uso de fluidos, y la ingeniería de equipos para almacenamiento. Aspectos relevantes incluyen geofísica y astrofísica (entender tectónica de placas y anomalías en el campo gravitatorio terrestre), meteorología, medicina en aspectos de presión arterial, y muchas otras áreas.

Dinámica de fluidos:

La dinámica de fluidos es una subdisciplina que trata el flujo de fluidos. Es la ciencia de líquidos y gases en movimiento. Ofrece una estructura sistemática que revela disciplinas prácticas, abrazando leyes empíricas y semi-empíricas derivadas de mediciones de flujo para resolver problemas prácticos. Los problemas de dinámica de fluidos ya se han resuelto. Involucran calcular varias propiedades del fluido como presión, densidad, velocidad y temperatura, como función del espacio y tiempo. Esta rama tiene varias subdisciplinas, como aerodinámica (estudio del aire y otros gases en movimiento) e hidrodinámica (estudio de líquidos en movimiento).

Como se mencionó en aplicaciones, tiene amplio rango: calcular fuerzas y movimiento en aeronaves, determinar caudal másico de petróleo en tuberías, predecir patrones climáticos, entender nebulosas en espacio interestelar, modelar explosiones. Finalmente, algunos principios se usan en ingeniería de tráfico y dinámica de multitudes.

Principios básicos de los fluidos

Los fluidos están compuestos de moléculas discretas; tan pequeñas que, excepto en gases a muy bajas presiones, el número de moléculas por mililitro es tan enorme que deben verse como entidades individuales. En un líquido, conocido como cristales líquidos, las moléculas se empaquetan de modo que las propiedades del medio son localmente anisotrópicas. Sin embargo, la mayoría de fluidos incluyendo aire y agua son isotrópicos.

En mecánica de fluidos, el estado de fluidos anisotrópicos se describe definiendo su masa media por unidad de volumen (densidad ρ), temperatura (T) y velocidad (V) en cada punto del espacio. La conexión entre estas propiedades macroscópicas y las posiciones y velocidades de moléculas individuales no tiene uso directo.

La diferencia entre gases y líquidos es fácil de percibir pero no de describir. En gases, las moléculas están lo suficientemente separadas para moverse casi independientemente. Los gases tienden a expandirse para llenar cualquier volumen disponible. Por otro lado, las moléculas de líquidos están más o menos en contacto y cohesión por fuerzas atractivas de corto alcance. Se mueven demasiado rápido para asentarse en arreglos ordenados como sólidos, pero no pueden separarse.

Aunque los líquidos pueden existir como gotas o chorros con superficies libres. Pueden estar en vasos limitados solo por gravedad, de modo que muestras de gas no pueden. Estas muestras pueden evaporarse con el tiempo al ganar suficiente velocidad para escapar por la superficie libre y no ser reemplazadas. La vida de gotas y chorros líquidos es normalmente lo suficientemente larga para ignorar la evaporación.

Relación de la mecánica de fluidos con la mecánica del continuo

La mecánica de fluidos es una subdisciplina de la mecánica del continuo. A continuación la lista de subdisciplinas:

• Mecánica de fluidos – estudio de la física de materiales continuos que se deforman bajo fuerza.
• Mecánica del continuo – estudio de la física de materiales continuos.
• Mecánica de sólidos – estudio de la física de materiales continuos con forma de reposo definida.
• Reología – estudio de materiales con características tanto sólidas como fluidas.
• Elasticidad – describe materiales que vuelven a su forma de reposo tras remover esfuerzos aplicados.
• Plasticidad – describe deformación permanente tras esfuerzo suficiente.
• Fluidos no newtonianos – no experimentan tasas de deformación proporcionales al esfuerzo cortante aplicado.
• Fluidos newtonianos – experimentan tasas de deformación proporcionales al esfuerzo cortante aplicado. Se explicará más.

Mecánicamente, un fluido no soporta esfuerzo cortante, por eso en reposo tiene la forma de su recipiente. Un fluido en reposo no tiene esfuerzo cortante.

Mira el video para aprender más sobre mecánica de fluidos:

Fluidos no viscosos y viscosos

Un fluido no viscoso no tiene viscosidad, es una idealización que facilita el tratamiento matemático. Un flujo puramente no viscoso se realiza en superfluidez. En general, los fluidos son viscosos. Las matemáticas de un sistema mecánico de fluidos pueden tratarse asumiendo que el fluido fuera de las capas límite es no viscoso. La solución debe acoplarse a la de una capa límite laminar delgada.

Fluidos newtonianos y no newtonianos

El fluido newtoniano lleva el nombre de Isaac Newton. Se define como fluido cuyo esfuerzo cortante es linealmente proporcional al gradiente de velocidad en dirección perpendicular al plano de corte. Significa que, independientemente de la fuerza actuante, el fluido sigue fluyendo. El agua es buen ejemplo porque mantiene propiedades fluidas sin importar cuánto se revuelva o mezcle.

Un buen ejemplo es el arrastre de un objeto pequeño moviéndose lentamente en el fluido, proporcional a la fuerza aplicada. Fluidos importantes como agua y la mayoría de gases se comportan aproximadamente como fluidos newtonianos en condiciones normales.

Por otro lado, un fluido no newtoniano puede dejar un hueco al removerse, que se llena gradualmente con el tiempo, como en pudin uobleck. Remover un fluido no newtoniano puede disminuir su velocidad, haciéndolo parecer más delgado. Hay varios tipos de fluidos no newtonianos. Pueden definirse como algo que no obedece una propiedad particular. Por ejemplo, casi todos los fluidos con cadenas moleculares largas pueden reaccionar de forma no newtoniana.

Conclusión

Esto es todo para esta publicación sobre mecánica de fluidos, donde dimos su definición, antecedentes históricos, aplicaciones, ramas, principios y relación con la mecánica del continuo.

Espero que hayas aprendido mucho; si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.