MECÁNICA DE FLUIDOS PROFR. M.C. JESÚS DAVID MARTÍNEZ ABARCA FÍSICA II: AGOSTO 2017 ENERO 2018

Transcripción

1 MECÁNICA DE FLUIDOS PROFR. M.C. JESÚS DAVID MARTÍNEZ ABARCA FÍSICA II: AGOSTO 2017 ENERO 2018

2 Rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos), así como las fuerzas que los provocan, aplicando los principios fundamentales de la mecánica general. También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita y su hipótesis fundamental en la que se basa es la hipótesis del medio continuo, que es aquella que considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta.

3 Hidrostática Hidráulica Hidrodinámica

4 Hidráulica Rige el movimiento de los líquidos y las técnicas para lograr un óptimo aprovechamiento de las aguas mediante diversas leyes. Hidrostática Estudia los líquidos en equilibrio, es decir que se encuentran en reposo sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Hidrodinámica Estudia la dinámica de los fluidos incompresibles, es decir es la encargada del estudio del comportamiento y las leyes de los líquidos en movimiento. Los líquidos a estudiar deben cumplir con lo siguiente: Que el fluido sea un líquido incompresible. Que su densidad no varíe si le agregamos presión.

5 FLUIDOS Los líquidos y los gases se conocen como fluidos porque fluyen libremente y tienden a llenar los recipientes que los contienen, además ejercen fuerzas sobre las paredes de los recipientes donde están contenidos, esas fuerzas actúan sobre áreas definidas y originan una condición de presión.

6 CARACTERÍSTICAS Estructura Molecular Los cuerpos sólidos presentan una estructura molecular definida y la fuerza de enlace entre las partículas que las conforman es fuerte y presentan gran resistencia para ser separadas. En el caso de los fluidos, los enlaces son débiles o en el caso de los gases despreciables, razón por la cual no presentan una forma definida.

7 CARACTERÍSTICAS Compresión Está característica aplica de diferente modo para líquidos y gases, los primeros son considerados incompresibles, al igual que los sólidos. Por otro lado, los gases debido a su estructura pueden ser comprimidos con relativa facilidad.

8 CARACTERÍSTICAS Tracción Los cuerpos sólidos resisten las fuerzas de tracción, es decir no fluyen. Mientras que los líquidos y gases no oponen resistencia a dicha fuerza, por lo tanto, tienden a fluir, motivo por el cual, a los cuerpos en esos dos estados se les conoce como fluidos.

9 DIFERENCIAS ENTRE SÓLIDOS Y FLUIDOS CARACTERÍSTICA SÓLIDO LÍQUIDO GAS FORMA Definida No definida No definida COMPRESIÓN Incompresible Incompresible Compresible FLUIDEZ No fluye Fluye Fluye

10 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS FLUIDOS

11 DENSIDAD La densidad o masa específica p de un cuerpo se define como la relación de su masa m con respecto a su volumen V. Donde: ρ = m V = densidad [kg/m 3 ] m = masa [kg] V = volumen [m 3 ] La unidad del SI para la densidad es kilogramos por metro cúbico (kg/m 3 ). Por tanto, si un objeto tiene una masa de 4 kg y un volumen de m 3, tiene una densidad de 2000 kg/m 3

12 PESO ESPECÍFICO El peso específico D de un cuerpo se define como la relación entre su peso W y su volumen V. La unidad común (en el SUEU) es la libra por pie cúbico (lb/ft 3 ) D = W V Donde: D = peso específico [N/m 3 ] W = peso [N] V = volumen [m 3 ] Por ejemplo, el peso específico del agua es 62 lb/ft 3 La relación entre peso específico y densidad se determina recordando que W = mg Donde: W = peso [N] m = masa [kg] g = gravedad [9.8 m/s 2 ] Por esta razón: D = mg V = ρg

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14 PRESIÓN La eficiencia de una cierta fuerza a menudo depende del área sobre la que actúa. Por ejemplo, una mujer que usa tacones puntiagudos daña más los pisos que si usara tacones anchos. Aun cuando la dama ejerce la misma fuerza hacia abajo en ambos casos, con los tacones agudos su peso se reparte sobre un área mucho menor. A la fuerza normal por unidad de área se le llama presión. P = F A Donde: A es el área donde se aplica la fuerza perpendicular F. La unidad de presión es el pascal. 1 pascal (Pa) = 1 newton por metro cuadrado (N/m 2 )

15 PRESIÓN HIDROSTÁTICA La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes. Los fluidos ejercen presión en todas direcciones. La presión del fluido en cualquier punto es directamente proporcional a la densidad del fluido y a la profundidad bajo la superficie del fluido. Presión Hidrostática P = Dh = ρgh Donde: P = presión [N/m 2 ] D = peso específico [N/m 3 ] h = altura [m]

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18 OTRAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Viscosidad: Es una magnitud que representa la resistencia a fluir o densidad de un fluido. A mayor viscosidad, más espeso es el fluido; y a menor viscosidad, menos espeso. Tensión superficial: La tensión superficial es un término que suele aplicarse a los líquidos porque es una forma de medir la cohesión que existe entre sus moléculas sólo sobre la superficie. Otra forma de verlo es imaginarse que la tensión superficial es lo que impide que algo se sumerja en el líquido, esa fuerza que hay que superar para atravesar un líquido. Capilaridad Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial y le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Adhesión: Es la propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares. Cohesión: Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

19 PRINCIPIO DE PASCAL La presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante Prensa Hidráulica p e = p s Presión de entrada = presión de salida F e A e = F s F s Donde: Fe = fuerza de entrada [N] Fs = Fuerza de salida [N] Ae = área de entrada [m 2 ] As = área de salida [m 2 ]

20 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES Anécdota histórica. Cuenta la historia que Hierón el rey de Siracusa, convocó a Arquímedes para que le solucione un problema. El rey le había entregado a un orfebre una cierta cantidad de oro y plata para que le hiciera una corona. Al recibir el trabajo, Hierón, sospechó de la honradez del platero, por lo cual le solicitó a Arquímedes que investigara si había sido estafado. Ya tenemos planteado el problema: determinar, conservando la corona en su integridad, si el artífice se había quedado con parte del oro entregado para realizar la corona.

21 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES Preocupado Arquímedes por el problema, al que no encontraba solución ya que no podía ni romper la corona ni disolverla en ácidos, un día de mucho calor, decidió tomar un baño, ocurrió entonces al sumergirse el agua rebasó de la tina. Pensando en ello llegó a la conclusión que al entrar su cuerpo en la bañera, ocupaba un lugar que forzosamente dejaba de ser ocupado por el agua, y adivinó que lo que él pesaba de menos era precisamente lo que pesaba el agua que había desalojado, o sea que el peso de su cuerpo era igual al peso del agua desplazada.

22 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES Habiendo encontrado la idea para resolver el problema, fue tal su excitación que, desnudo como estaba, saltó de la bañera y se lanzó por las calles de Siracusa al grito de Eureka! Eureka! (Que en griego significa Lo encontré! Lo encontré!). A partir de este descubrimiento Arquímedes procedió a pesar la corona en el aire y en el agua verificando que en efecto, su densidad no correspondía a la que hubiera resultado de emplear el artífice todo el oro y la plata entregados, confirmando la sospecha del rey, el orfebre lo había estafado.

23 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES Cualquier persona familiarizada con la natación y otros deportes acuáticos ha observado que los objetos parecen perder peso cuando se sumergen en agua. En realidad, el objeto puede incluso flotar en la superficie debido a la presión hacia arriba ejercida por el agua Arquímedes ( a. C.), fue el primero que estudió el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado E = (D)(V) = ρghv Donde: E = empuje [N] D = peso específico [N/m 3 ] V = volumen [m 3 ] W a = W E Donde: Wa = peso aparente [N] W = peso [N] E = empuje [N]