Teoría de la capa límite. La teoría de la capa límite fue introducida por Prandtl. Esta teoría establece que, para un fluido en movimiento, todas las pérdidas por fricción tienen lugar en una delgada capa adyacente al contorno del sólido (llamada capa límite), y que el flujo exterior a dicha capa puede considerarse como carente de viscosidad. La distribución de velocidades en la zona próxima al contorno es influenciada por la tensión cortante, la capa límite es muy delgada en la parte aguas arriba del contorno y va aumentando su espesor hacia aguas abajo por la acción continuada de las tensiones cortantes. La capa de fluido cercana a la superficie que reciente cambios en su velocidad por el efecto del esfuerzo cortante de la superficie se llama capa límite y el área de estudio general que trata del patrón de flujo en esta capa y de esfuerzos de corte correspondiente se llama teoría de la capa límite.
Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constanteque varía en función de la temperatura y fuerza cortante a la que esté sometido. El ejemplo más claro es el Agua.
Otros ejemplos: mermelada, mayonesa, sangre, lodo, geles y pinturas.
La característica de este tipo de fluido es que en reposo se comporta como un líquido mientras que si se somete a fuerzas de estrés aumenta su viscosidad. Es decir, que si golpeas sobre la superficie de un fluido no newtoniano, el estrés introducido por la fuerza entrante hace que los átomos que componen el fluido se reorganicen aumentando la viscosidad, incluso hasta comportarse como un sólido por un instante.
Los fluidos no newtonianos, se puede agrupar en dos grandes categorías:
1- Aquellos para los que la viscosidad cambia con la velocidad de deformación. Dilatantes: son aquellos fluidos que aumentan su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación aplicada. Como ejemplo podríamos citar el almidón de maíz. Pseudoplásticos: son aquellos fluidos que disminuyen su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación aplicada. Como ejemplo podríamos citar zumos de frutas. Viscoplásticos: Son materiales que se comportan como un sólido elástico hasta el esfuerzo alcanza un valor umbral, una vez alcanzado este valor pasan a comportarse como fluidos donde el esfuerzo puede tener una dependencia lineal con la velocidad de deformación o no. Ejemplos son la pasta de dientes, la mermelada o la clara de huevo.
2- Aquellos para los cuales la viscosidad cambia con el tiempo durante el esfuerzo. Tixotrópicos: Aquellos para los cuales la viscosidad disminuye con el tiempo. Este es el caso de pinturas o gelatinas. Reopécticos: Aquellos para los cuales la viscosidad aumenta con el tiempo. Sería el caso del poliéster.
Un experimento ilustrativo se encuentra en el siguiente video de 8 min.
Son fluidos para los cuales el esfuerzo cortantes es directamente proporcional a la rapidez de deformación se denominan fluidos newtonianos. Sin embargo, para algunos fluidos el esfuerzo cortante no puede ser directamente proporcional a la rapidez de deformación. Estos fluidos se clasifican como no newtonianos, por ejemplo, la sangre, ciertos plásticos y mezcla de barro y agua.
Fluido No Newtoniano
Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constante que varía en función de la temperatura y fuerza cortante a la que esté sometido. El ejemplo más claro es el Agua.
Otros ejemplos: mermelada, mayonesa, sangre, lodo, geles y pinturas.
La característica de este tipo de fluido es que en reposo se comporta como un líquido mientras que si se somete a fuerzas de estrés aumenta su viscosidad. Es decir, que si golpeas sobre la superficie de un fluido no newtoniano, el estrés introducido por la fuerza entrante hace que los átomos que componen el fluido se reorganicen aumentando la viscosidad, incluso hasta comportarse como un sólido por un instante.
Categorías de fluidos no newtonianos
1- Aquellos para los que la viscosidad cambia con la velocidad de deformación. Dilatantes: son aquellos fluidos que aumentan su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación aplicada. Como ejemplo podríamos citar el almidón de maíz. Pseudoplásticos: son aquellos fluidos que disminuyen su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación aplicada. Como ejemplo podríamos citar zumos de frutas. Viscoplásticos: Son materiales que se comportan como un sólido elástico hasta el esfuerzo alcanza un valor umbral, una vez alcanzado este valor pasan a comportarse como fluidos donde el esfuerzo puede tener una dependencia lineal con la velocidad de deformación o no. Ejemplos son la pasta de dientes, la mermelada o la clara de huevo.
2- Aquellos para los cuales la viscosidad cambia con el tiempo durante el esfuerzo. Tixotrópicos: Aquellos para los cuales la viscosidad disminuye con el tiempo. Este es el caso de pinturas o gelatinas. Reopécticos: Aquellos para los cuales la viscosidad aumenta con el tiempo. Sería el caso del poliéster.
Un experimento ilustrativo se encuentra en el siguiente video de 8 min. Materiales: un recipiente, harina de maíz y agua.
En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según trayectorias paralelas, formando junto de ellas capas o láminas. Los módulos de las velocidades de capas adyacentes no tienen el mismo valor. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona la tensión cortante con la velocidad de deformación angular, es decir, la tensión cortante es igual al producto de la viscosidad del fluido por el gradiente de las velocidades. Por otra parte, el flujo laminar carece del intenso fenómeno de mezclado y de los torbellinos que caracterizan al flujo turbulento, y tiene una apariencia muy suave; un ejemplo típico es el flujo de miel o jarabe espeso que sale de un recipiente.
Ecuación de energía. Se obtiene la ecuación de energía al aplicar al flujo de fluido el principio de conservación de la energía. La energía que posee un fluido en movimiento está integrada por la energía interna y las energías debidas a la presión, a la velocidad y a su posición en el espacio.
Es conveniente clasificar la energía en dos categorías principales, energía almacenada y energía de transición. La energía asociada primordialmente con una masa dada se considerará como energía almacenada. Por otra parte, la energía que se mueve desde un sistema a otro se denomina energía de transición. Se considerará como propiedad extensiva sólo la energía almacenada teniendo en cuenta que esta energía esta directamente identificada con la materia involucrada en un determinado caso. Pueden enumerarse los siguientes tipos de energía almacenada en un elemento de masa:
1. Energía cinética Ec: Energía asociada con el movimiento de la masa. La energía cinética de una partícula infinitesimal es V^2/2gc
2. Energía potencial Ep: Energía asociada con la posición de la masa en campos externos conservativos. Suponiendo que el único campo externo es el campo gravitacional de la Tierra, la energía potencial de una partícula infinitesimal, situada a una elevación Z por encima de algún nivel de referencia.
3. Energía interna U: Energía moléculas y energía atómica asociadas con los campos internos de la masa. Si se conocen ciertas propiedades de algún fluido, la energía interna por unidad de masa, con respecto a algún estado base, usualmente puede evaluarse en tablas experimentales.
Hidrodinámica. El flujo de fluidos es complejo y no siempre puede ser estudiado de forma exacta mediante el análisis matemático. Contrariamente a lo que sucede con los sólidos, las partículas de un fluido en movimiento puede tener diferentes velocidades y estar sujetas a distintas aceleraciones. Tres principios fundamentales que se aplican al flujo de fluidos son:
a) El principio de conservación de la masa, a partir del cual se establece la ecuación de continuidad.
b) El principio de conservación de la energía, a partir del cual se deducen ciertas ecuaciones aplicadas al flujo.
c) El principio de la cantidad de movimiento, a partir del cual se deduce ecuaciones para calcular las fuerzas dinámicas ejercidas por los fluidos en movimiento.
Al considerar varios tipos de fluidos en condiciones estáticas, algunos pueden presentar cambios muy pequeños en su densidad a pesar de estar sometidos a grandes presiones. Inevitablemente, estos fluidos se encuentran en estado líquido cuando presentan este comportamiento. En tales circunstancias, el fluido se denomina incompresible y se supone que su densidad es constante para los cálculos. El estudio de fluidos incompresibles en condiciones estáticas se conoce como hidrostática. Cuando la densidad no puede considerarse constante bajo condiciones estáticas como en un gas, el fluido se denomina compresible.
Los fluidos ejercen fuerzas tanto normales como cortantes sobre las superficies que están en contacto con ellos. Sin embargo, únicamente los fluidos con gradientes de velocidad producen esfuerzos cortantes; por tanto, para aquellos que están en reposo existen tan sólo fuerzas normales. Estas fuerzas normales en los fluidos se llaman fuerzas de presión.
La presión se define como una fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área, se habla de presión solo cuando se trata de un gas o un líquido, las unidades de la presión son N/m^2 o Pa.
Presión estática. En cada punto de un fluido estático existe una cierta cantidad de presión. De modo específico, la intensidad de la presión, llamada simplemente presión, se define como sigue:
P = F/A
Donde F es la fuerza normal que actúa sobre el área A. La intensidad de presión es una unidad cantidad escalar, esto es, tiene tan sólo magnitud y actúa de igual modo en todas direcciones.
Manómetros diferenciales. A menudo es deseable medir la diferencia de presión entre dos puntos en un tubo, y para esta aplicación se conecta un manómetro a los dos puntos entre los cuales se va a medir la diferencia de presión.
Manómetro de tubo Bourdon. Este tipo de manómetro consta de un tubo que tiene una sección transversal elíptica doblado en un arco circular, cuando la presión atmosférica (presión manométrica cero) prevalece en el manómetro, el tubo no se deflexiona; para ello la aguja del manómetro está calibrada para leer la presión cero. Cuando se aplica presión al manómetro el tubo curvado tiende a enderezarse, de este modo se acciona la aguja para leer la correspondiente alta presión. El manómetro de tubo de Bourdon es un tipo de manómetro muy común, el cual es confiable si no se somete a excesivas pulsaciones de presión o a choques externos indebidos.
Presión absoluta, presión manométrica y de vacío. En una región como el espacio exterior que está virtualmente vacío de gases, la presión es esencialmente cero. Tal condición puede lograrse en forma muy aproximada en el laboratorio, donde una bomba de vacío se utiliza para vaciar una botella. La presión en el vacío se denomina cero absoluto, y todas las presiones respecto a esta presión cero se llaman presiones absolutas. De ahí que la presión atmosférica al nivel del mar en un día particular está dada por 101 kN/m^2, que equivale a 760mm de deflexión en un barómetro de merc
urio. La presión manométrica es aquella que se determina en un medidor de presión. Las presiones manométrica y absoluta suelen identificarse después de la unidad.
Siempre que la presión atmosférica se utiliza como referencia (o en otras palabras, cuando se mide la presión manométrica) existe la posibilidad de que la presión medida pueda ser ya sea positiva o negativa. A las presiones manométricas negativas también se les llama presiones de vacío.
Ciencia que trata del comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento, y su interacción con sólidos u otros fluidos.
La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de los medios continuos, y esta a su vez es una rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan; los fluidos se dividen en Gases y Líquidos, estos tienen una característica similar y es que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes, y esto provoca que no tengan una forma definida.
La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química , civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.
La mecánica de fluidos puede dividirse en dos aspectos importantes que son:
La Estática de Fluidos : Que se ocupa de los fluidos en reposo, es decir sin que existan fuerzas que alteren su posición.
La Dinámica de Fluidos: Que se ocupa de los fluidos en movimiento, es decir que están bajo fuerzas que alteran su posición.
También está la Hidrodinámica, esté término se aplica al flujo de líquidos o al flujo de gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incomprensible. La aerodinámica o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.
Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas.
Hola, somos un par de profesores de Ingeniería Química de la FES Zaragoza. El material se ha desarrollado a partir de varios estudiantes de servicio social y tesistas que desinteresadamente comparten sus conocimientos a las nuevas generaciones de estudiantes que incursionan en la Mecánica de Fluidos.
