Programa de Asignatura Mecánica de Fluidos CIV-241 Patricio Catalán M. Oficina C 3.21 August 16, 2010 Información General Duración El curso consta de 4 horas pedagógicas de clases teóricas y 2 horas pedagógicas de ayudantía a la semana, con una duración total de aproximadamente 17 semanas. La dedicación semanal individual es de 3 créditos USM, lo que debiera equivaler a 9 horas cronológicas. Horario Paralelo 01: Lunes 1-2, Miércoles 1-2. Salas Paralelo 01: P207, respectivamente. Objetivos Generales El objetivo de esta a signatura es proporcionar y desarrollar la fundamentación teórica que permite modelar el comportamiento, tanto cinemático como dinámico, de los fluidos. En este contexto, al finalizar el curso el alumno deberá ser capaz de describir, analizar y resolver problemas propias de la mecánica de fluidos. El curso es considerado fundamental para el desarrollo del alumno en áreas tales como la Ingeniería Hidráulica, Medio Ambiental y Marítima. Resultados del Aprendizaje (RdA) Para tal efecto, se espera que una vez finalizada la asignatura el alumno será capaz de 1. Describir los conceptos básicos de la mecánica de fluidos 2. Elaborar modelos cuantitativos simples del comportamiento de los fluidos, con diferentes enfoques. 3. Comprender y aplicar dichos modelos, entendiendo sus limitaciones y fortalezas 4. Reciclar los conocimientos adquiridos para su aplicación en situaciones reales Requisitos de Entrada Para poder cursar esta asignatura, el alumno deberá poseer conocimientos previos en las siguientes áreas temáticas 1. Ecuaciones Diferenciales 2. Mecánica de cuerpo sólido El requisito formal es haber cursado la asignatura de Mecánica Racional, CIV-202. 1
Aportes a la formación del Perfil de Egreso: Ingeniería Civil La asignatura apunta a la adquisición y desarrollo en el alumno de recursos técnicos fundamentales para su competencia técnica en las múltiples áreas de desarrollo profesional afines, contribuyendo de ésta manera a la formación generalista y técnica de excelencia. Metodología Se impartirán Clases Teóricas y ayudantías. En las clases Teóricas se empleara el método expositivo, con énfasis en la motivación y relación de la mecánica de fluidos como una herramienta descriptiva y cuantitativa del entorno. Para ello, se hará uso frecuente de alusiones a situaciones significativas de la vida real. Se estimulará el estudio independiente y el dialogo productivo entre los estudiantes y el docente. Adicionalmente, se desarrollarán actividades de Aprendizaje Basado en Problemas y de tipo Colaborativo. La asistencia a clases teóricas es libre y voluntaria. No obstante lo anterior, se considera altamente recomendable la asistencia a clases. Las ayudantías consistirán en una sesión de trabajo grupal, tras lo cual el ayudante corregirá el problema propuesto. Más detalles se entregan en la sección Evaluación de este documento. Evaluación La evaluación del ramo se realizará a través de los siguientes instrumentos. Certámenes: Se realizarán tres (3) certámenes a lo largo del semestre, en fechas que se informarán oportunamente. Típicamente éstos son certámenes de desarrollo en los cuales el alumno deberá ser capaz de resolver problemas típicos de los fenómenos en estudio, así como demostrar conocimiento teórico y la terminología apropiada. Los certámenes se evaluarán con nota entre 0 y 100. No habrá examen recuperativo, sin embargo, aquellos alumnos que falten a un certamen serán sujeto de un examen oral al finalizar el semestre. Este examen considerará todos los contenidos. Las calificaciones de los certámenes serán publicadas con indicación de lugar y fechas en que se atenderán solicitudes de recorrección las cuales deben ser presentadas por escrito, no existiendo revisiones fuera de plazo ni a fin de semestre. Trabajo Grupal Se considera el desarrollo de un Trabajo Grupal de carácter semestral, en el cual los alumnos podrán desarrollar una línea de investigación respecto de las temáticas afines a la asignatura. Cada grupo será conformado por 3 alumnos y se mantendrá a lo largo del semestre. El Trabajo Grupal considera tres hitos: 1. Propuesta. En esta etapa el grupo identifica un tema a tratar, por ejemplo, la turbulencia. El tópico puede ser lo suficientemente genérico y no es necesario detallar el alcance del tema. Luego, con anterioridad a la fecha de límite de la propuesta, se contactará con el profesor indicando el tema. La comunicación debe ser escrita, pudiendo ser vía email. 2. Asignación del tema. El profesor se compromete a entregar al grupo un artículo en inglés del tema propuesto. 3. InformeFinal. Esteesundocumento, denomás4páginas,enelcualelgrupodebepresentarclaramente un resumen del tema. Para ello el grupo deberá utilizar como base el artículo entregado por el profesor y 2 artículos adicionales de la lista de referencias. Se deben incluir referencias de tipo bibliográfico o electrónico, indicando fechas de acceso de ser necesario. La fecha de entrega se lista a continuación, siendo la entrega en formato electrónico (pdf) junto con los artículos fuente. La nota final del Trabajo Grupal considera la evaluación de ambos documentos, y considera además de los aspectos técnicos, el uso apropiado del lenguaje, la presentación y puntualidad en la entrega. 2
El objetivo de este trabajo es promover en el alumno la capacidad de investigar y desarrollar aprendizaje independiente. Además, promover el correcto uso de la comunicación escrita. Ejercicios Colaborativos En cada una de las ayudantías se llevarán a cabo ejercicios de tipo colaborativo. Los ejercicios se realizarán durante la primera mitad de la ayudantía trabajando en grupos de 4 personas durante 40 minutos. Posterior a eso, se desarrollará la solución del ejercicio en clase por el ayudante, definiendo de esta forma la pauta de corrección. Los ejercicios serán evaluados con nota, para lo cual se intercambiarán los ejercicios resueltos entre los grupos, quienes serán responsables de colocar la nota de acuerdo a la pauta desarrollada por el ayudante. Sin embargo, tanto el profesor como los ayudantes se reservan el derecho de revisar tanto los ejercicios como las correcciones. De encontrarse deficiencias, se revisará la nota de cada grupo en forma apropiada. Con el fin de promover la diversidad, los grupos serán formados en forma aleatoria al comienzo del semestre y se mantendrán fijos. Para la nota final de los EC, se considerará sólo el 70% de los EC, de forma tal de permitir inasistencias u otros. Quizzes Al inicio de cada clase se realizará un quizz respecto de la clase anterior. Esta actividad no tomará más de 5 minutos por lo que la puntualidad es esencial. No obstante lo anterior, sólo el 75% de los quizzes que se tomen durante el semestre se considerarán para la nota final de los quizzes, permitiendo de este modo inasistencias. Nota final Como condición necesaria para aprobar el ramo se necesita tener un promedio de certámenes igual o superior a 50. En caso contrario, la nota final será el promedio de los certámenes y no se considerarán las otras formas de evaluación. Si la nota de los certámenes es superior a 50, la nota final se calculará de la siguiente forma La nota final se calculará de la siguiente forma NF = (1+ (NQ 55) ) (0.7 450 C +0.15 TG+0.15 EC) donde C, NQ y EC es la nota promedio de los certámenes, quizzes y ejercicios colaborativos, respectivamente; y TG es la nota del trabajo grupal. De esta forma, los quizzes clase a clase constituyen un factor de amplificación final, mientras que los trabajos grupales pueden subir (o bajar) la nota de los certámenes. La nota final deber ser superior a 55 para aprobar el ramo. Fechas Fecha Hora Cert. 1 Semana Sep 27-Oct 1 PD Cert. 2 Semana 25-29 Oct PD Cert. 2 Semana 29 Nov-3 Dic PD Propuesta 1 Sep 5 pm Informe Final 17 Nov 5 pm Página Web Se cuenta con una página web en la sección de Ramos On-Line de la USM. http://www.ramos.utfsm.cl/ index.php?cc=1&dep=cc011&id=637adicionalmente, se habilitará una sección en el AULA-USM, con el fin de promover el diálogo vía electrónica. De esta forma, sólo se responderán las consultas que se envíen al foro, no aquellas que se envíen en forma directa al profesor. Esto con la intención de que todos tengan acceso a las consultas y respuestas 3
Contenido Unidad I Introducción. Física de los Fluidos i. Generalidades. ii. Definición de fluido. Hipótesis del continuo. iii. Propiedades Físicas de los fluidos. iv. Caracterización de los fluidos. v. Propiedades termodinámicas de los fluidos. vi. Ecuaciones de Estado. vii. Sistemas de unidades. Unidad II Estática de Fluidos. i. Fluido en reposo. ii. Equilibrio mecánico de un fluido. iii. Propiedades de la Atmósfera. iv. Fuerzas de presión sobre superficies. v. Equilibrio de cuerpos sumergidos. Unidad III Cinemática de los Fluidos. i. Fundamentos. Enfoques Euleriano y Lagrangiano. ii. Visualización de flujos. iii. Derivada Material. iv. Conservación de la Masa. v. Movimiento en Campo de flujo. Unidad IV Flujo No Viscoso. i. Aceleración de una partícula. ii. Ecuación de Bernoulli. iii. Ecuaciones de Euler. Unidad V Flujo Viscoso. i. Tensor de Esfuerzos. ii. Ecuaciones de Navier-Stokes. Unidad VI Conservación del Momentum. i. Ecuación del transporte de Reynolds. ii. Elementos Materiales. iii. Conservación del Momentum Lineal. iv. Conservación del Momentum Angular. Unidad VII Conservación de la Energía. i. Primera Ley de la Termodinámica. ii. Conservación de la energía mecánica. Unidad VIII Tópicos Generales. i. Introducción a flujos turbulentos ii. Capa Límite iii. Vorticidad iv. Flujo en tuberías. v. Flujo Potencial. Unidad IX Análisis Dimensional y Modelos. i. Dimensiones y unidades de medición. ii. El teorema de Buckingham. iii. Teoría de semejanza. 4
Referencias El curso no posee un texto guía. Sin embargo, se encuentra a disposición de los alumnos un documento Powerpoint de apoyo a las clases. Este estará disponible para ser bajado del sitio https://files.me.com/patricio.catalan/1zlxbj. Se recomienda bajarlo y tenerlo disponible como soporte para las clases. Además, en situaciones extraordinarias se repartirán apuntes con métodos alternativos de desarrollo de los fenómenos en estudio. Estos apuntes se considerarán como parte del ramo y son susceptibles de ser evaluados en certámenes y tareas. Existe además una importante cantidad de textos y libros de referencia en Mecánica de Fluidos, con una buena selección de ellos disponible en la Biblioteca de la Universidad. Se recomiendan para el apoyo los siguientes: Bonifacio Fernández L. Mecánica de Fluidos, Santiago: Ediciones Universidad Catolica de Chile, 2004, Catálogo USM 532 F363. Fay, James A. Introduction to Fluid Mechanics, Cambridge, MA, MIT Press, 1994, Catálogo USM 532 F282i. Daily, J.W. & Harleman, D.R.F.; Dinámica de los Fluidos con Aplicaciones en Ingeniería, Trillas, Catálogo USM 532.05 D133. Streeter, V.; Mecánica de Fluidos, Varias ediciones, Catálogo USM 532 S915c 1987 5