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Hidrodinámica o Dinámica de los fluidos - Parte I

La hidrodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las leyes de los fluidos en movimiento (flujos), que nos permiten comprender cómo estos interactúan con el medio y entre ellos mismos.

Debido a la complejidad de dichas leyes, en este estudio analizaremos solo algunos conceptos básicos.

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Fluidos turbulentos, desafío para la física.

Algunas definiciones académicas nos permitirán entrar en materia de fluidos con los conceptos muy claros:

Según la Real Academia Española de la Lengua (RAE), “fluido” se refiere a las “sustancias en estado líquido o gaseoso”.

Sobre el verbo “fluir”, aplicado a un líquido o a un gas, lo describe como “correr”, en el sentido de “moverse progresivamente de una parte a otra”.

Entonces, cuando hablemos de “un fluido” sabremos que es un líquido o un gas, y cuando digamos que “fluye”, sabremos que está moviéndose de un lugar hacia otro, o está “corriendo”.

Una descripción física nos dice que “fluido es todo material que no sea sólido y que puede ‘fluir’. Son fluidos los líquidos y los gases; aún con sus grandes diferencias en su comportamiento como fluidos ambos se describen con las mismas ecuaciones básicas. La diferencia entre uno u otro (entre líquido y gas) está en su compresibilidad ” (capacidad de soportar compresión).

Ver: Comportamiento de los gases

Características de un fluido:

- Cambia su forma según el envase.

- Se deforma continuamente bajo fuerzas aplicadas.

- La atmósfera y los océanos son fluidos.

- El 97 % de nuestro cuerpo es fluido, también lo es el manto líquido interior de la tierra, etc.

También debemos agregar que un fluido que se está moviendo (fluye) a través de un conducto o sección constituye lo que se llama un “flujo”.

Tipos de flujos

Se distinguen dos tipos principales de flujo:

Flujo Laminar:

Cuando la velocidad de un fluido en cualquier punto dado permanece constante en el transcurso del tiempo, el flujo es ordenado y predecible, el movimiento se produce en capas o láminas. En este flujo las partículas se mueven en trayectorias independientes de las partículas de capas adyacentes.

En este caso se dice que el movimiento del fluido es uniforme y se denomina flujo laminar; estas condiciones se pueden conseguir cuando la velocidad del flujo es reducida. Ecuaciones matemáticas permiten calcular valores para un flujo laminar.

Ejemplo: el flujo del agua potable a través de las cañerías.

Flujo Turbulento:

En el caso de un flujo turbulento, las velocidades varían desordenadamente tanto de un punto a otro como de un momento a otro.

La transición de flujo laminar a turbulento en una tubería está determinada por un único parámetro conocido como número de Reynolds (R) , que se obtiene del producto entre la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido por la viscosidad del fluido.

Si R es menor de 2.100, el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son más elevados suele ser turbulento.

La fórmula para el número de Reynolds es

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Donde D es el diámetro del tubo, ρ la densidad del fluido, y η la viscosidad, y v su velocidad.

En el flujo turbulento el movimiento de las partículas individuales es aleatorio e impredecible. Intentar obtener una solución a las ecuaciones del flujo en régimen turbulento esta fuera del alcance del análisis matemático y el cálculo numérico actuales.  Ejemplo: la caída de agua en una bajada de río caudaloso (los rápidos).

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Arriba: flujo turbulento. Abajo: flujo laminar.

Viscosidad de un líquido

El flujo de los fluidos puede ser viscoso o no viscoso .

La viscosidad en el movimiento de los fluidos es el fenómeno análogo a la fricción en el movimiento de los sólidos. Cuando existe viscosidad, se introducen fuerzas tangenciales sobre las distintas capas de un fluido en movimiento y esto da lugar a la disipación de la energía mecánica; es decir, el fluido se calienta.

El flujo de los fluidos puede ser compresible o incompresible (que se pueden comprimir o no).

Usualmente los líquidos pueden considerarse como incompresibles a diferencia de los gases que son considerados compresibles.

Fluidos ideales

El movimiento de un fluido real es muy complejo. Para simplificar su descripción consideraremos el comportamiento de un fluido ideal cuyas características son las siguientes:

1.-Fluido no viscoso. Se desprecia la fricción interna entre las distintas partes del fluido

2.-Flujo estacionario. La velocidad del fluido en un punto es constante con el tiempo

3.-Fluido incompresible. La densidad del fluido permanece constante con el tiempo

4.-Flujo irrotacional. No presenta torbellinos; es decir, no hay momento angular del fluido respecto de cualquier punto.

Bajo estas condiciones podemos hacer operaciones matemáticas que nos permitan calcular valores para la velocidad del flujo, el volumen del mismo y el área de la sección conductora (tubo o cañería).

Ir a: Hidrodinámica,  Parte II

Fuentes Internet:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/reynolds/reynolds.htm

http://www.metalurgia.uda.cl/apuntes/Jchamorro/Mecanica-fluidos%20I/Mec%C3%A1nica%20I%20-%20Ecuaci%C3%B3n%20de%20Bernoulli%20%5BModo%20de%20compatibilidad%5D.pdf

http://www.lawebdefisica.com/dicc/bernoulli/

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/dinamica_fluidos/ap01_hidrodinamica.php

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/fluidos/html/fluidos.html

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/bernoulli/bernouilli.htm

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