INTRODUCCIÓN

• La mecánica de fluidos estudia las leyes del movimiento de los fluidos (que son líquidos y gases) y sus procesos de interacción con los cuerpos sólidos.  La característica fundamental de los fluidos, como su nombre lo indica es la fluidez, es decir que carecen de forma definida, un fluido es incapaz de mantener un esfuerzo cortante o impacto sin moverse por un intervalo de tiempo. Tenemos que tener en cuenta de que a pesar que un solido si posee forma definida esta puede deformarse por un impacto o fuerza considerable. 

LA RELACIÓN DE UN SÓLIDO CON UN FLUIDO

 Radica cuando nombramos a un solido como “solido simple” y al fluido como “fluido simple. En un solido simple la deformación es tiende a cero si la fuerza tiende a cero, en un fluido simple la rapidez de deformación (movimiento) es la que tiende a cero cuando la fuerza así mismo, tiende a cero.

En conclusión de la relación solido-fluido, un solido presenta un desplazamiento definido o la rotura definitiva por una fuerza cortante; mientras que un fluido, fuerzas de muchísima menor intensidad producen deformaciones no elásticas ( el cuerpo no recupera su forma original) mayores.

LA DIFERENCIA ENTRE UN GAS Y UN LÍQUIDO (fluidos)

En un gas tanto el volumen como la densidad varían constantemente, el movimiento térmico en un gas vence a las fuerzas atractivas (Fuerza de Van der Waals que se refiere a la atracción de una molécula o entre pares de una misma molécula) y hace que el gas adopte el volumen del recipiente que lo contiene. En el caso de un liquido, ocurre totalmente lo opuesto, sucede que la comprensibilidad (propiedad de la materia que dice que todos los cuerpos disminuyen su volumen al someterlos a una presión determinada) es débil, en este caso, las fuerzas atractivas entre las moléculas vencen a su movimiento térmico colapsando las moléculas para formar el liquido; es decir que  un liquido tiende a ocupar o formar una superficie libre.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

• DENSIDAD

Magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3). La densidad entonces es la división entre la masa que tiene una sustancia y el volumen que esta ocupando.

• PRESIÓN

mide la cantidad de fuerza que un fluido ejerce sobre la superficie de una pared que lo contiene. La presión (P) de un fluido es la fuerza por unidad de área que un fluido ejerce sobre una superficie.

• VISCOSIDAD

Es una característica de los fluidos en movimiento, que muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la aplicación de una fuerza. Cuanta más resistencia oponen los líquidos a fluir, mas viscosidad poseen. La viscosidad disminuye a medida que aumenta la temperatura, debido a que a altas temperaturas, la energía cinética promedio es mayor y hace que las moléculas superen con facilidad las fuerzas de atracción entre ellas.

• TEMPERATURA

Magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente.  El estado, la solubilidad de la materia y el volumen, entre otras, dependen de la temperatura. En el caso del agua a presión atmosférica normal, si se encuentra a una temperatura inferior a los 0ºC, se mostrará en estado sólido (congelada); si aparece a una temperatura de entre 1ºC y 99ºC, se encontrará en estado líquido; si la temperatura es de 100ºC o superior, por último, el agua presentará un estado gaseoso (vapor).

PRINCIPIO DE PASCAL-ARQUIMEDES-TORRICELLI-BERNOULLI

• PRINCIPIO DE PASCAL

“un fluido encerrado en un recipiente al aplicarle una presión dicha presión de trasmite en todos los sentidos y direcciones, quiere decir que la presión no va en una sola dirección, si no que va ocupando todo el espacio que se tiene .” 

 Ecuación: 

                FORMULA DEL PRINCIPIO DE PASCAL:

              
                Donde:

                F₁= fuerza aplicada al embolo menor
                A= área del embolo (mayor/ menor)
                F2= fuerza resultante en el embolo mayor

• PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

"Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja". 

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido (líquido o gas). Experimenta una fuerza vertical y hacia arriba – fuerza de empuje (E)- cuyo módulo es igual al peso del volumen de fluido que desaloja.

• PRINCIPIO DE TORRICELLI

"La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio"

donde:

•  es la velocidad teórica del líquido a la salida del orificio
•  es la velocidad de aproximación o inicial.
•  es la distancia desde la superficie del líquido al centro del orificio.
•  es la aceleración de la gravedad.

• PRINCIPIO DE BERNOULLI

El principio de Bernoulli afirma que la energía de un fluido en cualquier momento, ya sea líquido o gas, consta de tres componentes:

° Cinético: energía debida a la velocidad que tiene el fluido.

° Potencial gravitacional: energía debido a la altura que tenga el fluido

° Energía de flujo: energía debido a la presión que tiene el fluido

Este teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo.

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS

FLUIDO NEWTONIANO:

Es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. Un fluido newtoniano es una sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene. POR EJEMPLO: el agua. 

FLUIDO NO NEWTONIANO:

Aquél cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Esa viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

TIPOS DE FLUJO

FLUJO TURBULENTO Y FLUJO LAMINAR

EL FLUJO TURBULENTO Es el movimiento de un fluido que se da en forma caótica; es decir, las partículas se mueven desordenadamente y en sus trayectorias se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos. Por este hecho, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual su trayectoria es impredecible.

En cambio,  se le llama FLUJO LAMINAR al movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado, suave. En este tipo de flujo el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula del fluido sigue una trayectoria suave llamada línea de corriente. El flujo laminar es tipico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas.

FLUJO COMPRENSIBLE E INCOMPRENSIBLE

Un flujo se clasifica en comprensible e incomprensible dependiendo del nivel de variación de la densidad del flujo durante su recorrido.

Se dice que un flujo es INCOMPRENSIBLE si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo; es decir, que el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido son incomprensibles. El agua por ejemplo, se denomina entonces flujo incomprensible ya que su densidad es constante al igual que su volumen aun cuando este se encuentre bajo presión.

En cambio, todo fluido incluyendo a los líquidos se denominan COMPRENSIBLES: Cuando los cambios de volumen son demasiado grandes se opta por considerar el flujo como comprensible  (que muestran una variación significativa de la densidad como resultado de fluir), esto sucede cuando la velocidad del flujo es cercano a la velocidad del sonido. El flujo de un fluido comprensible se rige por la primera ley de la termodinámica en los balances de energía y con la segunda ley de la termodinámica que relaciona la transferencia de calor y la irreversibilidad con la entropía (es la razón incremental entre un incremento de energía interna frente a un incremento de temperatura del sistema).

LAS RAMAS DE LA FÍSICA QUE ESTUDIAN EL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS

• HIDRODINÁMICA: estudia la dinámica de los fluidos incomprensibles, es decir es la encargada del estudio del comportamiento y las leyes de los líquidos en movimientos. Líquidos que cumplan con las siguientes condiciones: Que el fluido sea un líquido incomprensible. 
  

• AERODINÁMICA: estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre ellos y el fluido que los baña (siendo un gas y no un líquido).

• AEROELASTICIDAD: es la ciencia que estudia la interacción entre las fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas 

• OLEOHIDRAULICA: es la técnica aplicada a la transmisión de potencia mediante flujos confinados (que llenan todo el conducto a diferencia de un flujo libre que lo llena parcialmente). La oleohidraulica se rige por la ley de Pascal y el principio de Bernoulli. La ley de pascal dice que “ el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo.El principio de Bernoulli dice que “en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.”

•  HIDROSTÁTICA: su objetivo es estudiar los líquidos cuando se encuentran en reposo. Normalmente sus principios también se aplican a los gases. La hirostática se rige por el principio de pascal y el principio de Arquimedes.

      El principio de Pascal nos dice que “el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible (generalmente se trata de un líquido incompresible), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”

      El         Principio de Arquímedes establece que cualquier cualquier cuerpo solido que se encuentre sumergido parcial o totalmente en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del liquido desplazado por el cuerpo solido.

•    HIDRODINÁMICA: estudia la dinámica de fluidos incomprensibles.

•    HEMODINÁMICA: parte de la cardiología que se encarga del estudio anatómico y funcional del corazón mediante la introducción de catéteres finos a través de las arterias de la ingle o del brazo. La técnica anteriormente dicha (cateterismo cardíaco) permite conocer con exactitud el estado de los vasos sanguíneos del cuerpo y del corazón.

• REOLOGÍA: estudio de la deformación y el fluir de la materia o bien, es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir, una de las metas de la reología es encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales.
   
  

HIPÓTESIS BÁSICAS DE LA MECÁNICA DE FLUÍDOS

Partiendo de una hipótesis para conocer a fondo conceptos en función de los fluidos, se asume que estos verifican las siguientes leyes:

1. 1.    Conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier: dice que “«En una reacción química ordinaria, la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos»
2. 2.    Conservación de la cantidad de movimiento: En la mecánica newtoniana  se define para una partícula simplemente como el producto de su masa por la velocidad.
3. 3.    Primera y segunda leyes de la termodinámica: La primera ley dice que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. La segunda ley de la termodinámica es la que impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio

•   HIPÓTESIS DEL MEDIO CONTINUO: el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta.

EN LA SALUD

       La mecánica de fluidos aplicada a la salud

• La mecánica de fluidos tiene un papel vital en el cuerpo humano. El corazón bombea constantemente sangre a todas las partes del cuerpo a través de las arterias y venas, y los pulmones son las regiones de flujo de aire en direcciones alternadas. Los corazones artificiales, las máquinas de respiración y los sistemas de diálisis están diseñados con base en la aplicación de la mecánica de fluidos.

• EL CORAZÓN : El corazón actúa como una bomba que impulsa la sangre hacia los órganos, tejidos y células del organismo. El circuito mayor o aórtico lleva la sangre oxigenada a los tejidos desde el ventrículo izquierdo, finalizando en la aurícula derecha. El circuito menor o pulmonar lleva sangre sin oxígeno desde el ventrículo derecho hasta los pulmones, para realizar la hematosis; una vez se oxigena, va de nuevo a la aurícula izquierda. Este principio asegura la circulación de la sangre por todo el organismo. La insuficiencia venosa y las varices se relacionan con problemas en el principio de funcionamiento de los vasos comunicantes. 

•  EL SISTEMA RESPIRATORIO: Luego de que el aire llega a los pulmones, el suministro de oxígeno es transportado por la sangre, para distribuirlo a todos los tejidos del cuerpo. Paralelamente, este sistema se encarga de expulsar el dióxido de carbono hacia el exterior del organismo. El sistema respiratorio está formado principalmente por dos grandes secciones: Las vías respiratorias y El aparato pulmonar. 1. El teorema de Bernoulli se aplica para explicar la fluidez del aire cuando pasa rozando las paredes de conductos como la faringe, laringe y la tráquea, donde tiene mayor fluidez por ser el de mayor diámetro  y al pasar a los bronquios; aquí se aplica 2.la ley de Poiseuille; puesto que el aire se embotella (turbulencia) y busca el mejor camino para llegar a los pulmones y luego a los capilares donde la sangre se oxigena.

Con la intención de profundizar el último punto anteriormente dicho, 1. el teorema de Bernoulli (hidráulica) busca explicar el comportamiento de un fluido en movimiento a lo largo de una corriente de agua; expresa que un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado , la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. Y 2. La ley de Poiseuille (hemodinámica) es una ley que permite determinar el flujo laminar estacionario de un líquido incomprensible y uniformemente viscoso a través de un tubo cilíndrico de sección circular constante.

• EL APARATO CIRCULATORIO:  sistema circulatorio constituye un circuito continuo, en el que el volumen impulsado por el corazón es el mismo volumen que debe circular por cada una de las subdivisiones de la circulación. Puede dividirse en dos partes principales que son el sistema de circulación general y el de circulación pulmonar. La sangre fluye casi sin resistencia en todos los grandes vasos de la circulación, pero no en arteriolas y capilares. Para que la sangre pueda atravesar los pequeños vasos en que se presenta resistencia, el corazón manda sangre a las arterias a presión elevada (hasta aproximadamente 120 torr).

Preguntas

Marque falso (F) o verdadero (V) según sea el caso:

1. 1.    un fluido es incapaz de mantener un esfuerzo cortante o impacto sin moverse por un intervalo de tiempo (   )

1. 2.    Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene un valor de viscosidad definido y constante (estos varían con la temperatura y tensión constante que se le aplique) (   )

1. 3.    Un flujo comprensible es aquel en el que el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento aún cuando este se encuentre bajo presión (  )

1. 4.    Un flujo turbulento es aquel en el que las partículas se mueven desordenadamente, en cambio, en un flujo laminar cada partícula sigue una trayectoria suave formando laminas sin entremezclarse (   )

1. 5.    Un flujo comprensible es aquel en el que el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento aún cuando este se encuentre bajo presión (   )

1. 6.    La reología es la rama que estudia la dinámica de fluidos incomprensibles (  )

   Rellene el crucigrama de acuerdo a las pistas:

• En una prensa hidráulica el embolo menor tiene un área de 6 cm²   y el mayor de 180 cm²
  ¿Cual es el peso que se puede levantar al aplicar una fuerza de 16 Kg?
  
  Datos:
  
  F₁= 16 Kg
  A1= 6 cm² 

• A2 = 180 cm²
  F2= ?

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