Comprender la mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos es un amplio estudio del comportamiento de los fluidos (líquidos, gases, sangre y plasmas) en reposo y en movimiento. Tiene una amplia gama de aplicaciones en la actualidad, este campo incluye 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 estará expuesto a lo siguiente:

• Mecánica de fluidos con mecánica continua.
• Fluidos no viscosos y viscosos.
• Fluidos newtonianos versus no newtonianos. También se discutirá la ecuación del fluido newtoniano.

¿Qué es la mecánica de fluidos?

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

Los líquidos, gases, plasmas y, en cierta medida, los sólidos plásticos pueden ser un buen ejemplo de fluidos. Un fluido no ofrecerá resistencia interna para cambiar de forma y debe tomar la forma de sus contenedores.

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

La mayoría de las disciplinas científicas han mostrado interés en la mecánica de fluidos. Por ejemplo, los físicos estudian el flujo de gases a temperaturas extremadamente altas a través de campos magnéticos. Esto ocurre en la búsqueda de un método aceptable para aprovechar la energía de las reacciones de fusión nuclear. Los ingenieros mostraron interés en la mecánica de fluidos debido a las fuerzas que produce el fluido que se utiliza con fines prácticos. Algunos ejemplos incluyen diseño aerodinámico, propulsión a chorro, turbinas eólicas y frenos hidráulicos. Esto se explica con más detalle.

Debe comprender que la mecánica de fluidos es el estudio de los fluidos en reposo y en movimiento. Un fluido se puede definir como un material que se deforma continuamente bajo una carga constante. Cinemática, estrés, conservación, regulación y constitutivo son los cinco términos importantes que son útiles en los problemas de mecánica de fluidos. Bueno, estos problemas pueden variar según la elección del sistema de interés y el volumen de interés, que rigen la simplificación de cantidades vectoriales.

Antecedentes históricos de la mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos ha jugado un papel muy importante en la vida humana y seguirá teniendo este efecto. Por eso ha atraído a muchos curiosos. En la historia griega antigua, se llevaron a cabo trabajos teóricos sistemáticos sobre este tema. En el 16 ^th siglo, comenzó el desarrollo de las ecuaciones de gobierno del flujo de fluidos. En el 18 ^th y 19 ^th siglos, las leyes de conservación de la masa, el impulso y la energía se conocían en su forma más general. En el 20 ^th siglo, los desarrollos fueron en forma teórica, experimental y recientemente numérica. En el campo teórico se brindaron soluciones de las ecuaciones gobernantes para casos especiales. Los métodos experimentales se han empleado para medir las velocidades de flujo y las propiedades de los fluidos. Usando computadoras, el tratamiento numérico de problemas de mecánica de fluidos abrió nuevas perspectivas en la investigación. La creencia común en el siglo XXI es que las actividades serán más intensas en el desarrollo de nuevas herramientas experimentales y numéricas. También, aplicación de los mismos para el desarrollo de nuevas tecnologías.

Aplicaciones de la mecánica de fluidos

Con la observación de la gran mayoría de hoy, la vida hubiera sido imposible sin fluidos. Es decir, la atmósfera y los océanos que cubren el planeta son fluidos. La mecánica de fluidos sirve para propósitos científicos y prácticos ilimitados. Atrae casi todos los campos de especialización a pesar de que está descrito por una teoría de campo no lineal y también porque los fenómenos de fluidos se observan fácilmente. Entonces, las aplicaciones de la mecánica de fluidos incluyen esta experiencia, incluidos matemáticos, físicos, biólogos, geólogos, oceanógrafos, científicos atmosféricos y casi todo tipo de ingeniería. En estos días, los artistas se han sentido atraídos por estudiar, aprovechar y explotar la mecánica de fluidos. Esto se utiliza para crear y probar técnicas formales y computacionales para comprender mejor el mundo natural. También intenta mejorar la condición humana.

La aplicación de la mecánica de fluidos implica transporte, procesamiento y fabricación de materiales, generación y conversión de energía, infraestructura civil y producción de alimentos.

Principales ramas de la mecánica de fluidos

A continuación se muestran las dos ramas principales de la mecánica de fluidos:

Estática de fluidos:

Esta rama de la mecánica de fluidos también se conoce como hidrostática. Es un estudio de fluidos en reposo y abarca el estudio de las condiciones bajo las cuales los fluidos están en reposo en equilibrio estable. La mecánica de fluidos hidrostática muestra explicaciones físicas para muchos fenómenos de la vida cotidiana. Esto incluye la razón por la cual 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 está nivelada, independientemente de la forma de su recipiente.

La hidrostática es la base de la hidráulica, el transporte, el uso de fluidos y la ingeniería de equipos para el almacenamiento. Algunos aspectos relevantes de la hidrostática incluyen la geofísica y la astrofísica (por ejemplo, comprender la tectónica de placas y las anomalías en el campo gravitatorio de la tierra), la meteorología, la medicina en un aspecto de la presión arterial y muchas otras áreas de especialización.

Dinámica de fluidos:

La dinámica de fluidos es una subdisciplina de la mecánica de fluidos que se ocupa del flujo de fluidos. Esa es la ciencia de los líquidos y gases en movimiento. Ofrece una estructura sistemática que revela estas disciplinas prácticas, que abarca leyes empíricas y semiempíricas derivadas de la medición de flujo y utilizadas para resolver problemas prácticos. El problema de la dinámica de fluidos ya ha sido resuelto. Estos implican el cálculo de varias propiedades del fluido, como la presión, la densidad, la velocidad y la temperatura, en función del espacio y el tiempo. Esta rama de la mecánica de fluidos tiene varias subdisciplinas, como la aerodinámica, que es el estudio del aire y otros gases en movimiento. La hidrodinámica es otra subdisciplina, que es el estudio de los líquidos en movimiento.

Al igual que la mención anterior en las aplicaciones de la dinámica de fluidos, tiene una amplia gama de aplicaciones, incluido el cálculo de la fuerza y ​​el movimiento en las aeronaves. También determina la tasa de flujo másico de petróleo a través de un oleoducto, predice patrones climáticos en evolución, comprende nebulosas en el espacio interestelar y modela explosiones. Finalmente, algunos principios de la dinámica de fluidos se utilizan en ingeniería de tráfico y dinámica de multitudes.

Principios básicos de fluidos

Los fluidos están compuestos de moléculas discretas; estas moleculas son tan pequenas y salvo en los gases a presiones muy bajas. El número de moléculas por mililitro es tan enorme que deben verse como entidades individuales. En un líquido, conocido como cristales líquidos, las moléculas están empaquetadas de una manera que hace que las propiedades del medio sean localmente anisotrópicas. Sin embargo, la mayoría de los fluidos, incluidos el aire y el agua, son isotrópicos.

En mecánica de fluidos, el estado de los fluidos anisotrópicos se describe definiendo su masa media por unidad de volumen, o densidad (p), temperatura (T) y su velocidad (V) en cada punto del espacio. Además, la conexión es entre estas propiedades macroscópicas y las posiciones y velocidades de las moléculas individuales, sin tener un uso directo.

La diferencia entre gases y líquidos es más fácil de percibir que de describir. Pero esto todavía tiene que ser examinado. Las moléculas están suficientemente separadas para moverse casi independientemente unas de otras en los gases. Los gases tienden a expandirse para llenar cualquier volumen disponible para ellos. Por otro lado, las moléculas líquidas están más o menos en contacto y se cohesionan debido a las fuerzas de atracción de corto alcance entre ellas. Las moléculas se mueven demasiado rápido para establecerse en los arreglos ordenados que son característicos de los sólidos. Aun así, no pueden volar aparte.

Aunque, el líquido puede existir como gotas o como chorros con superficies libres. Incluso pueden sentarse en vasos de precipitados restringidos solo por la gravedad, de una manera que las muestras de gas no pueden. Tales muestras pueden evaporarse con el tiempo a medida que sus moléculas se acumulan con suficiente velocidad para escapar a través de la superficie libre y no se reemplazan. La vida útil de las gotas y chorros de líquido normalmente es lo suficientemente larga como para ignorar la evaporación.

Relación de la mecánica de fluidos con la mecánica continua

La mecánica de fluidos es una subdisciplina de la mecánica continua. A continuación se muestra la lista de subdisciplinas relacionadas con este campo.

Mecánica de fluidos – este es el estudio de la física de materiales continuos que se deforman cuando se someten a una fuerza.

Mecánica continua – el estudio de la física de los materiales continuos.

Mecánica de sólidos – el estudio de la física de materiales continuos con una forma en reposo definida.

Reología – el estudio de materiales con características sólidas y fluidas.

Elasticidad – describe los materiales que vuelven a su forma de reposo después de que se eliminan las tensiones aplicadas.

plasticidad – describe que se deforma permanentemente después de aplicar suficiente tensión.

Fluidos no newtonianos – no sufren velocidades de deformación proporcionales al esfuerzo cortante aplicado.

Fluidos newtonianos – sufrir velocidades de deformación proporcionales al esfuerzo cortante aplicado. Esto se explicará con más detalle.

Mecánicamente, el fluido no soporta esfuerzo cortante, por lo que en reposo tiene la forma del recipiente que lo contiene. Un fluido en reposo no tiene esfuerzo cortante.

Vea el video para obtener más información sobre la mecánica de fluidos:

Fluidos no viscosos y viscosos

Un fluido no viscoso no tiene viscosidad, es una idealización. Ése facilita el tratamiento matemático. En el caso de la superfluidez se realiza un flujo puro no viscoso. De lo contrario, los fluidos son generalmente viscosos. Las matemáticas de un sistema mecánico de fluidos se pueden tratar asumiendo que el fluido fuera de las capas límite no es viscoso. La solución debe coincidir con la de una capa límite laminar delgada.

Fluidos newtonianos y no newtonianos

El fluido newtoniano lleva el nombre de Isaac Newton. Se define como el fluido cuyo esfuerzo cortante es linealmente proporcional al gradiente de velocidad en la dirección perpendicular al plano de corte. El significado es que, independientemente de la fuerza que actúe sobre un fluido, continúa fluyendo. El agua es un buen ejemplo de fluido newtoniano porque sigue mostrando propiedades fluidas independientemente de cuánto se agite o se mezcle.

Un buen ejemplo es que el arrastre de un objeto pequeño que se mueve lentamente a través del fluido es proporcional a la fuerza aplicada al objeto. Los fluidos importantes, como el agua y la mayoría de los gases, se comportan aproximadamente como un fluido newtoniano en condiciones normales.

Por otro lado, un fluido no newtoniano puede dejar un agujero cuando se agita. Esto se llenará gradualmente con el tiempo, ya que puede ocurrir en materiales como pudín y oobleck. Agitar un fluido no newtoniano puede disminuir la velocidad del fluido, lo que hace que parezca más delgado. Existen varios tipos de fluidos no newtonianos. Se pueden definir como algo que no cumple con una propiedad particular. Por ejemplo, casi todos los fluidos con cadenas moleculares largas pueden reaccionar de forma no newtoniana.

Conclusión

Eso es todo por este post sobre mecánica de fluidos, donde damos su definición, antecedentes históricos, aplicaciones, ramas, principios y su relación con la mecánica de medios continuos.

Espero que obtenga mucho de este artículo, si es así, compártalo amablemente con otros estudiantes. Gracias por leer. ¡Hasta la próxima!