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Fluidos

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Fluidos en reposo

Los fluidos se caracterizan por ciertas propiedades o fenómenos:

Densidad:Es la cantidad de masa en un determinado volumen. Un fluido puede variar su densidad debido a la temperatura y presión. Existen fluidos altamente densos como el Mercurio, cuya densidad a 4[ºC]  es de 13.585[kg/m³]  , Mientras que el agua a 4[ºC]  es es de 1.000[kg/ en condiciones de presión normales.

 

Viscosidad: Es la resistencia que ejerce un fluido al movimiento. El agua es menos viscosa que la miel.

 

Tensión superficial: Es un fenómeno que se produce por la interacción entre las fuerzas de las moléculas que se encuentran en la superficie de un fluido. Es por esto que algunos insectos y lagartos (como el Basiliscus) pueden caminar sobre el agua, al tener una amplia superficie de contacto con la superficie del agua.

 

Cohesión: Es la fuerza de atracción que ejercen entre sí, las moléculas adyacentes de un mismo cuerpo. Como ejemplo cuando llueve, las gotas de agua que quedan en los vehículos se mantienen (hasta evaporarse) en la superficie, en vez de expandirse por toda la superficie como lo haría un fluido de baja cohesión (aceite).

 

Adhesión: Es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes entre dos superficies de distintos cuerpos. Como ejemplo, algunos vinos de calidad se adhieren levemente al vidrio de las copas, mientras que otros resbalan sin adherirse al vidrio.


Los fluidos en reposo ejercen fuerza sobre las paredes de los recipientes que los contienen y también sobre cualquier objeto que se encuentre sumergido en ellos. Esa fuerza actúa sobre una superficie de manera proporcional a lo que llamaremos presión hidrostática.

La presión es la fuerza por unidad de área y se mide en el Sistema Internacional de Unidades en
[N/ y esta unidad se denomina pascal.

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Presión atmosférica

La presión atmosférica o presión barométrica es la fuerza que ejerce la columna de aire de la atmósfera sobre la superficie terrestre en un punto determinado.

Esta fuerza es inversamente proporcional a la altitud. Cuando mayor es la altitud, menor en la presión atmosférica, y cuando menor es la altitud, mayor es la presión atmosférica.

La mayor presión atmosférica es la que se produce al nivel del mar. Por ende, esta medida se toma como referencia de la presión atmosférica normal.

Unidades de presión atmosférica

Existen diversas unidades de medida para representar la presión atmosférica. La utilizada en el S.I. es la llamada Pascal (Pa) o hectopascal (hPa). Sin embargo, también se usan bares (b), milibares (mb), “atmósferas” (atm), milímetros de mercurio (mm Hg) y Torricellis (Torr).

Fórmula de la presión atmosférica

La fórmula para calcular la presión atmosférica o barométrica se rige por los principios de la ecuación fundamental hidrostática. Veamos a continuación.

Pa = ρ.g.h

En esta fórmula,

  • Pa es igual a la presión ejercida en un punto del fluido.
  • ρ es igual a la densidad del fluido.
  • g es igual a la aceleración de gravedad.
  • h es igual a la profundidad.

De este modo, si:

  • ρ = 13550 kg/m3 (densidad del mercurio)
  • g = 9.81 m/s2
  • h = 0.76 m (altura de la columna de mercurio)

Entonces,

  • Pa = 101 023 Pa

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Principio de Pascal

El principio de Pascal es una ley de la física planteada por el importante matemático, y filósofo, de origen francés Blaise Pascal, quien además realizaría otros importantes aportes además de esta teoría.

Este científico es más conocido por este principio, en donde explica como la presión que ejerce un fluido de cualquier tipo que se encuentra en un recipiente, en equilibrio, y que a su vez no puede comprimir; se transmite esa misma presión hacia todas las direcciones en que se decanta ese fluido.

 

La siguiente es la fórmula que se utiliza para hacer los cálculos:

p = p_0 + rho g h.

p = la presión total a la profundidad

h = medida en Pascales

p_0 = la presión sobre la superficie libre del fluido

rho = la densidad del fluido

g = la aceleración de la gravedad

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Principio de Arquímedes

Dentro del estudio del comportamiento de los líquidos, se han destacado grande personalidades de la ciencia. Arquímedes de Siracusa fue un físico que se ha reconocido por sus aportes a este tema. Y logró grandes avances para determinar el volumen que poseía un objeto. Es así, como hoy día conocemos el principio de Arquímedes.

De esta manera, se define que un cuerpo que se sumerge en un fluido que se encuentra en reposo, recibe un empuje vertical hacia arriba el cual tiene un peso igual al fluido desplazado. Este fenómeno conocido como fuerza de empuje, también ha sido mencionado como empuje hidrostático.

A través de este enunciado, se ha podido determinar el volumen de distintos cuerpos. Sin importar si poseen una forma regular o irregular, este método puede ser aplicable. Pero antes de que el objeto sea sumergido, es necesario conocer sus datos mientras se encuentra en el vacío. Así es que se podrá obtener con exactitud el volumen que posee una vez que se encuentra dentro del fluido.

Principio de Arquímedes

¿Qué es el principio de Arquímedes?

A través del principio de Arquímedes, se ha podido estudiar el volumen que poseen los cuerpos. Es así, como este postulado declara que cuando un cuerpo se sumerge parcial o totalmente dentro de un líquido, experimenta un empuje de abajo hacia arriba. Este se considera igual al peso del fluido que ha sido desalojado.

Teniendo en cuenta esta teoría, se ha podido estudiar el efecto de flotación, que ha sido conocido como fuerza de empuje. Mediante esta, se crea una relación entre el peso del cuerpo y esta fuerza.

Presión hidrostática

En la mecánica de los fluidos, la presión hidrostática es aquella que un fluido en reposo genera por su propio peso.

La presión hidrostática no depende de la masa, del peso o del volumen total del fluido, sino de la densidad del fluido (p), la aceleración de la gravedad (g) y la profundidad del fluido (h). La presión hidrostática, por lo tanto se calcula de con la siguiente fórmula:

Presión hidroestática

Junto con la presión hidrostática, también existe en paralelo la presión atmosférica que es aquella que la atmósfera ejerce sobre el fluido.

Tensión superficial y capilaridad

Tensión superficial y Capilaridad. La tensión superficial es la propiedad que poseen las superficies de los líquidos, por la cual parecen estar cubiertos por una delgada membrana elástica en estado de tensión. La capilaridad es el fenómeno de ascensión del agua por o capilares o poros del suelo. Gran parte del agua retenida lo es por tensión superficial, que se presenta alrededor de los puntos de contacto entre las partículas sólidas o en los poros y conductos capilares del suelo, y que desempeña un papel muy importante en las formas de agua llamadas humedad de contacto y agua capilar.

Tensión superficial en el suelo

En los suelos de grano grueso, la mayor parte del agua retenida lo es por tensión superficial, que se presenta alrededor de los puntos de contacto entre las partículas sólidas o en los poros y conductos capilares del suelo. La cohesión aparente, que pueden presentar taludes de arena que se han mantenido estables, se explica por la humedad de contacto. Ella la ejerce la pequeña cantidad de agua que puede mantenerse, sin caer, rodeando los puntos de contacto entre los diminutos granos de arena, gracias a fuerzas de adherencia entre el líquido y el sólido y de tensión superficial, que se oponen a la gravedad.

Capilaridad. Fuerzas de adhesión y cohesión

La cohesión es la atracción entre las moléculas de una misma sustancia, mientras que la adhesión es la atracción entre moléculas de diferentes sustancias. Si se sumerge un tubo capilar de vidrio en un recipiente con agua, el líquido asciende dentro de él hasta una altura determinada. Si se introduce un segundo tubo de mayor diámetro interior el agua sube menor altura.

Es que la superficie del líquido plana en su parte central, toma una forma curva en la vecindad inmediata del contacto con las paredes. Esa curva se denomina menisco y se debe a la acción combinada de la adherencia y de la cohesión. Por la acción capilar los cuerpos sólidos hacen subir y mover por sus poros, hasta cierto límite, el líquido que los moja.

Elevación capilar en los suelos

La altura típica que alcanza la elevación capilar para diferentes suelos es: arena gruesa 2 a 5 cm, arena 12 a 35 cm, arena fina 35 a 70 cm, limo 70 a 150 cm, arcilla 200 a 400 cm y más. Gracias al fenómeno de la Tensión superficial y Capilaridad, existe un incremento de agua a la capa activa del suelo.

Fluidos en movimiento

La hidrodinámica es la parte de la hidráulica que se encarga de estudiar el comportamiento de los líquidos en movimiento. Según esta definición podemos clasificar como fluidos a los líquidos y  gases. Para ello se considera entre otras cosas la velocidad, la presión, el flujo y el gasto de líquido. En el estudio de la hidrodinámica, el teorema de Bernoulli, que trata de la ley de la conservación de la energía es de primordial importancia, pues señala que la suma de las energías cinética, potencial, y de presión de un líquido en movimiento en un punto determinado es igual a la de otro punto cualquiera.

La mecánica de fluidos investiga las propiedades de un fluido ideal sin fricción y también estudia las características de un fluido viscoso en el cual se presenta fricción. Un fluido es comprensible cuando su densidad varía de acuerdo con la presión que recibe; tal es el caso del aire y ortos gases estudiados por la aerodinámica.

La hidrodinámica estudia la dinámica de fluidos incompresibles. Por extensión, dinámica de fluidos. Para ello se consideran entre otras cosas la velocidad, presión, flujo y gasto del fluido.  Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes:

  • Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases.
  • Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.
  • Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.

La hidrodinámica tiene numerosas aplicaciones industriales, como diseño de canales, construcción de puertos y presas, fabricación de barcos, turbinas, etc.

Ecuación de continuidad

La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción.

Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por la velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería se debe cumplir que, el caudal en el punto 1 (Q1) es igual que el caudal en el punto 2 (Q2). Que es la ecuación de continuidad y dónde

 



  • S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.
  • v es la velocidad del fluido en los puntos 1 y 2 de la tubería.

 

Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todo el conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma proporción y viceversa.

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En la imagen de la derecha puedes ver como la sección se reduce de A1 a A2. Teniendo en cuenta la ecuación anterior:

 

 

Es decir la velocidad en el estrechamiento aumenta de forma proporcional a lo que se reduce la sección.

Ecuación de Bernoulli

El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión matemática es:

donde P es la presión hidrostática, ρ la densidad, g la aceleración de la gravedad, h la altura del punto y v la velocidad del fluido en ese punto. Los subíndices 1 y 2 se refieren a los dos puntos del circuito.

La otra ecuación que cumplen los fluidos no compresibles es la ecuación de continuidad, que establece que el caudal es constante a lo largo de todo el circuito hidráulico, es decir, que la cantidad de fluido que pasa de una zona del tubo puede definirse por el producto del área de la sección  del tubo por la velocidad del fluido en esa zona y la densidad.

G = A1v1 = A2v2

donde A es el área de la sección del conducto por donde circula el fluido y v su velocidad media.

Viscosidad

Es lo opuesto de fluidez; puede definirse de modo simplificado, como la mayor o menor resistencia que ofrece un líquido para fluir libremente. Todos los líquidos poseen algo de viscosidad.
En términos generales la viscosidad de un líquido es independiente de su densidad o gravedad específica, pero si depende de la temperatura a que se encuentre, siendo inversamente proporcional a esta.
La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad. De ahí que los fluidos de alta viscosidad presentan resistencia al fluir, mientras que los de baja viscosidad fluyen con más facilidad.

Unidad de medida

Viscosidad dinámica

La viscosidad de un fluido puede determinarse por un coeficiente, el coeficiente de viscosidad (η o μ) que es dependiente de la velacidad, asé tenemos:

  • En el sistema Internacional de Unidades (μ) = [Pa·s] = [kg·m-1·s1]

El pascal-segundo (pa*s).

  • En el sistema cegesimal de unidades

El poise (P), el nombre fue establecido en honor al fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869). 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

Viscosidad cinemática

Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad (ν = μ/ρ).

  • En el sistema Internacional de Unidades

Viscosidad cinemática [ν] = [m2.s1]

  • En el sistema cegesimal de unidades

Viscosidad cinemática [ν] = (St) St (stokes)





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