mecanica de fluidos diapositivas

1. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Introducción
Principios de
hidrostática
Originales:
Educar Chile
Prof. Raimundo Ferreira Ignacio (Brasil)
Adaptación: Prof. Hugo Chamorro

2. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• ¿Te has preguntado qué es la
presión?
• ¿Por qué los clavos y las agujas
terminan en punta?
• ¿Por qué un cuchillo afilado corta
mejor?
• ¿Por qué es más fácil caminar
en la nieve con unas raquetas
especiales, que tan solo con
botas?
Introducción

3. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Si has cortado un trozo de pan con un
cuchillo malo o has clavado un clavo que
curiosamente no tiene punta, estarás de
acuerdo con que la tarea fue dificultosa. Esto
se debe a que tuviste que usar una mayor
fuerza que la habitual.
• En cambio, si cortaste el trozo de pan con un
cuchillo afilado y clavaste un clavo que tenía
punta, la tarea se facilitó. Por lo tanto, tu
esfuerzo fue menor.
Introducción

4. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Como te darás cuenta, la
presión es un concepto que está
íntimamente relacionado con la
fuerza y con el área.
• Si te fijas en las huellas que
dejan los zapatos sobre una
superficie de tierra, te darás
cuenta de que la marca de un
taco de aguja de un calzado de
mujer es más profunda que la
de un taco de zapato de
hombre.
Introducción

5. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Entonces estamos en condiciones de
decir que:
• Si una fuerza actúa sobre una
superficie pequeña, el poder
deformador de esta es grande.
• Si una fuerza actúa sobre una
superficie grande, el poder deformador
de esta es pequeño.
Presión

6. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Esta fuerza se reparte sobre la superficie donde
actúa.
• En física la presión (P) es la resultante entre una
fuerza (F) y la superficie (A) donde actúa dicha
fuerza.
• Es decir:
P = F/A
• En donde:
P se mide en pascales (Pa)
F se mide en Newton (N)
A (área) se mide en (m²)
• F es la componente perpendicular a la superficie
Presión

7. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Presión
3 cuerpos del mismo peso pero distinta forma se encuentran apoyados
sobre un plano horizontal. ¿Todos ejercen la misma presión sobre el
plano? Si las presiones son diferentes, ¿cuál es el orden de sus
valores de mayor a menor?
I II III

8. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Para determinar la presión que ejerce un
bloque de granito cuyas dimensiones son 0.5
m de ancho y 1 m de largo y que pesa
10.000 N:
• Primero calculamos la superficie.
• Área = 0.5 · 1 = 0.5 m²
• Recuerda que: P = F/A
• Entonces la presión es de:
• P = 10.000 N / 0.5 m² = 20.000 Pa
Ejemplo

9. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Mecánica de fluidos
Introducción
Propiedades básicas de los fluidos

10. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Mecánica de fluidos
• Hidrostática: estudia los
fluidos en reposo
• Hidrodinámica: estudia los
fluidos en movimiento

11. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Introducción
• Mecánica: La ciencia que estudia el
equilibrio y el movimiento de los sólidos,
líquidos y gases, así como las causas de
este movimiento;
• En el caso de líquidos y gases, que se
denominan fluidos, se encuentra en la rama
de la mecánica conocida como Mecánica
de Fluidos.

12. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Introducción
• Mecánica de los Fluidos: capítulo de la física que
trata del comportamiento de los fluidos en reposo y en
movimiento.
• Ejemplos de aplicaciones:
– Estudio del flujo de un líquido a través de un tubo;
– Influencia del viento sobre una construcción;
– Las ondas de presión producidas en la explosión de una
bomba;
– Las características aerodinámicas de un avión;
– Muchas más …

13. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¿Por qué estudiar
Mecánica de los Fluidos?
El conocimiento y comprensión de los
principios y conceptos de la mecánica de
fluidos son esenciales en el análisis y diseño
de cualquier proyecto en el que uno o más
fluidos forman parte de los sistemas en
juego.

14. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¿Por qué estudiar
Mecánica de los Fluidos?
Ejemplos:
• Diseño de un edificio en una zona de vientos
fuertes;
• Diseño de los sistemas de provisión de agua y
sanitarios de un edificio o ciudad;
• Diseño de los sistemas de climatización de un
edificio;

15. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¿Por qué estudiar
Mecánica de los Fluidos?
• El desastre del puente sobre el estrecho de Tacoma
(1940) pone de relieve las posibles consecuencias que se
producen cuando los principios básicos de la mecánica de
fluidos se descuidan;
• El puente colgante, apenas cuatro meses después de
haber sido abierto al tráfico, fue destruido durante una
tormenta;
• En un principio, bajo la acción del viento, la parte
central comenzó a vibrar en la dirección vertical; luego
comenzó a vibrar en direcciones contrarias a cada
lado. Una hora más tarde, esa parte del puente se
destruirá.

16. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¿Por qué estudiar
Mecánica de los Fluidos?

17. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¿Cuáles son las diferencias
fundamentales entre fluidos y
sólidos?
• Un fluido es
deformable
• Un sólido es poco
deformable
• Hay materiales
intermedios

18. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Fluidos x Sólidos
La principal distinción entre sólidos y fluidos,
es el comportamiento que presentan ante las
fuerzas externas.
Por ejemplo, si una fuerza de
compresión se utiliza para
distinguir un sólido de
un líquido, este
último sería inicialmente
comprimido, hasta un cierto
punto a partir del cual se
comporta exactamente como
un sólido, es decir
sería incompresible.

19. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Los sólidos, cuando
son solicitado por los
esfuerzos pueden
resistir, y deformarse
hasta
incluso romperse.
Factores importantes en la diferenciación
entre sólidos y líquidos

20. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Factores importantes en la diferenciación
entre sólidos y líquidos
El líquido no se resiste a los esfuerzos
tangenciales por más pequeños que estos
sean, lo que implica que se
deforman continuamente.
F

21. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Fluidos x Sólidos
Los sólidos resisten las fuerzas de
corte hasta que su límite elástico se
alcanza (este valor se llama esfuerzo de
corte crítico), a partir de la cual experimenta
una deformación irreversible, mientras
que los fluidos se deforman
irreversiblemente de inmediato, incluso
para pequeños valores de tensión de corte.

22. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
En un lenguaje más preciso:
• La diferencia fundamental está relacionada con la
estructura molecular:
– Sólido: las moléculas se relacionan con
una fuerte fuerza de atracción y están
muy próximas; estas se ordenan en una
estructura o trama ordenada lo que les
garantiza una forma propia;
– Fluido: las moléculas se mueven con un
cierto grado de libertad, la fuerza de
atracción es más pequeña que en los
sólidos y no presentan una forma
propia.

23. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Fluidos
En general, el fluido se caracteriza por la
movilidad relativa de las moléculas que,
además de moverse en rotación y en
vibración, se trasladan y por lo tanto no
representan una posición fija promedio en el
volumen del fluido.

24. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Fluidos: Líquidos y Gases
Líquidos:
- asumen la forma del
recipiente que los
contiene;
- Poseen un volumen
propio (constante);
- Pueden presentar una
superficie libre;

25. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Gases y vapores:
-presentan fuerzas de
atracción intermoleculares
despreciables;
-No tienen forma o
volumen propio;
-Ocupan todo el volumen
del recipiente que los
contiene (no presentan
superficie libre).
Fluidos: Líquidos y Gases

26. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Fluidos: Líquidos y Gases
Los gases son fluidos muy
compresibles
Gas
Gas
Los líquidos son fluidos poco
compresibles
Líquido
Líquido

27. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Propiedades de los fluidos
•Densidad - δ
Unidades Sistema Internacional (SI):
Kg/m3
V
m
volumen
masa
==δ

28. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Propiedades de los fluidos
•Peso específico - ρ
Unidades Sistema Internacional (SI): N/m3
V
P
volumen
peso
==ρ

29. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Densidades de algunos fluidos
Fluido δ (Kg/m3)
Agua destilada a 4 oC 1000
Agua de mar a 15 oC 1022 a 1030
Aire atmosférico a presión
atmosférica y 0oC
1,29
Aire atmosférico a presión
atmosférica e 15,6oC
1,22
Mercurio 13590 a 13650
Petróleo 880

30. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Pesos específicos de algunos fluidos
Fluido ρ(N/m3)
(aprox. con g=10 m/s2)
ρ (Kgf/m3)
Agua destilada a 4 oC 10000 1000
Agua do mar a 15 oC 10220 a 10300 1022 a 1030
Aire atmosférico a presión
atmosférica y 0oC 12,9 1,29
Aire atmosférico a presión
atmosférica e 15,6oC 12,2 1,22
Mercurio 135900 a 136500 13590 a 13650
Petróleo 8800 880
El peso específico en kgf/m3, tiene el mismo valor que la
densidad en kilogramos masa por metro cúbico.

31. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• ¿Qué pasará con la presión en un
líquido?
• Si nos estamos bañando en una
piscina, ¿será la presión la misma en la
superficie y en el fondo de la piscina?
• ¿Cómo será la presión de un líquido
sobre las paredes del recipiente que lo
contiene?
Presión hidrostática

32. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Un líquido es un fluido.
• Un líquido tiene masa. Por lo tanto,
tiene peso.
• Este peso dependerá de la densidad
del líquido.
• Los líquidos, al tener peso, también
ejercen una presión.
• A esta presión se le llama presión
hidrostática.
Presión hidrostática

33. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• ¿Cómo actúa la presión hidrostática?
• La presión actúa sobre todas las caras
de un objeto sumergido o sobre las
caras de las paredes del recipiente que
la contiene.
• Esta fuerza actúa en forma
perpendicular sobre cada una de las
caras.
Presión hidrostática

34. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos

35. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos

36. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• La presión ejercida por un líquido no
depende de la forma, ni del volumen, ni
de la forma del fondo del recipiente que
lo contiene.
• La presión hidrostática depende de:
– La densidad del líquido.
– La aceleración de gravedad.
– La profundidad.
Presión hidrostática

37. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Estos tres factores están relacionados de la
siguiente forma:
P = δ g h
• En donde:
– P es presión.
– δ es la densidad del líquido.
– g es la aceleración de gravedad del lugar en
donde nos encontramos.
– h es la profundidad.
Presión hidrostática

38. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Es decir, la presión en un punto dado
dependerá de la profundidad en que se
encuentre, de la densidad del líquido y
de la aceleración de gravedad del lugar
en donde nos encontramos.
Presión hidrostática

39. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Si tenemos tres recipientes que
contienen el mismo líquido (agua), en el
mismo lugar.
• ¿Cuál será la presión a 0.2 m de
profundidad, en cada uno de los
recipientes?
Ejemplo 1

40. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
0.2 m

41. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Sabemos que la presión no depende de la
forma del recipiente.
• Entonces:
• Densidad del agua = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• Aceleración de gravedad = 10 m/s²
(aproximado)
• Profundidad = 0.2 m
• P = 1000 kg/m³ · 10 m/s² · 0.2 m
• P = 2000 Pa
Ejemplo 1

42. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• P = 1000 kg/m³ · 10 m/s² · 0.2 m
• Agrupamos las unidades convenientemente
• 1 Pascal (Pa) es la presión que una fuerza de
1 Newton ejerce sobre una superficie de 1
metro cuadrado.
Veamos las unidades (I)
2 3 2
2000 2000 2000 Pa
m m N
P kg
s m m
= = =

43. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Presión atmosférica
• Es la presión debida al peso de la
atmósfera
• Se ejerce sobre todos los cuerpos
inmersos en ella
• Varía con la altura y con las
condiciones climáticas
• En condiciones normales, su valor es
de 101.325 Pa = 1013 HPa = 1 atm

44. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• La presión atmosférica normal es de 101.325 Pa,
que se expresa usualmente en héctopascales: 1.013
HPa.
• ¿Cuál es este valor en Kgf/cm2?
• Se simplifica N y m2.
• La presión atmosférica normal implica un fuerza de 1
kgf en cada centímetro cuadrado.
Veamos las unidades (II)
2
2 2 2
1 1
101.325 101.325
10 10.000
N N Kgf m
m m N cm
= =
2 2 2
101.325
101.325 1,01325
100.000
N Kgf Kgf
m cm cm
= =

45. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Dos personas bucean en mar abierto. El buzo 1
está a una profundidad de 10m y el buzo 2 está
a una profundidad de 25 m. ¿Cuál de los buzos
está expuesto a mayor presión?
• Considera que la densidad del agua de mar es
de 1,03 g/cm³ (1030 kg/m³) y que la aceleración
de gravedad es aproximadamente de 10 m/s².
Ejemplo 2

46. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
10 m
25 m

47. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
• Presión para el buzo 1:
P = δ·g·h
P = 1030 · 10 · 10
P = 103.000 Pa
• Presión para el buzo 2:
P = 1030 · 10 · 25
P = 257.500 Pa
• Por lo tanto, el buzo 2 está expuesto a una
mayor presión.
Ejemplo 2

48. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Principio general de la hidrostática

49. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Vasos comunicantes
Si se llenan con el mismo fluido el nivel en todos los
tubos es el mismo
La presión es la misma en todos los puntos situados a
la misma altura

50. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Aplicación: Líneas piezométricas

51. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Principio de Blaise Pascal (1623 –
1662)
La presión aplicada a un
fluido encerrado en un
recipiente se transmite por
igual a todos los puntos del
fluido y a las paredes del
recipiente que lo contiene.

52. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Aplicaciones del principio de Pascal
• elevador hidráulico

53. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Aplicaciones del principio de Pascal
• Frenos hidráulicos

54. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Principio de Arquímedes
(287-212 a.C.)
Todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un
fluido experimenta una fuerza ascensional o
empuje igual al peso del fluido desplazado.
Una piedra pesa en el aire 10 N.
Sumergida en agua pesa 8 N.
Por lo tanto el líquido ejerce sobre
la piedra una fuerza vertical hacia
arriba de 2 N.
Esta fuerza es el empuje.

55. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Principio de Arquímedes
• El empuje E es:
E = δ g Vcs
Donde d es la densidad del fluido y Vcs es
el volumen del fluido desalojado, igual al
volumen del cuerpo
sumergido

56. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¡Algunos objetos flotan en los
líquidos y otros se hunden!
• Hay tres posibilidades.
• Si el peso del objeto es mayor que el empuje (a), este se
hunde hasta llegar al fondo del recipiente;
• Si es igual al empuje (b), permanecerá “entre dos aguas”;
• Si es menor que el empuje (c), el cuerpo saldrá a flote y
emergerá del líquido reduciéndose el empuje hasta
hacerse igual al peso.

57. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Tensión superficial
Numerosas observaciones sugieren que la superficie
actúa como una membrana estirada bajo tensión.
Esta fuerza, que actúa paralela a la superficie,
proviene de las fuerzas atractivas entre las
moléculas. Este efecto se llama tensión superficial .

58. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Algunos ejemplos

59. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Capilaridad
• El agua moja el recipiente de vidrio debido a que sus
moléculas son atraídas con mayor intensidad por las
moléculas de vidrio (fuerzas de adhesión) que por las
moléculas de agua (fuerzas de cohesión) . El caso
contrario ocurre con el mercurio: las fuerzas de
cohesión son mayores que las de adhesión.

60. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Capilaridad: aplicación (I)
De la guía para la construcción energéticamente eficiente de la Universidad de Kentucky (EEUU), Vínculo a marzo 2012

61. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Capilaridad: aplicación (I)
Tomadas de "Levantamiento y estudio arquitectónico de una antigua casa en los Picos de Europa", Arquitectura técnica, Proyecto final de
carrera, Judit López Ortiz, Universidad Politécnica de Cataluña, 2010, Vínculo a marzo de 2012

62. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
Medición de la presión:
manómetros
De tubo en U De Bourdon

63. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
¡El Principio de Arquímedes es válido en los
gases!
El empuje no solamente
actúa sobre cuerpos
sumergidos en líquidos,
sino sobre cuerpos
sumergidos en cualquier
fluido.

64. Conceptos básicos de Mecánica de los fluidos
FIN