La Mecánica de los Fluidos estudia el comportamiento de los fluidos cuando sobre ellos actúan fuerzas. Pueden ocurrir dos cosas: que el fluido se mantenga en equilibrio estático o que se mueva (fluya). Al estudio del primer caso se le llama Hidrostática y al segundo, Hidrodinámica.
En ambas se aplican los principios de la Física que ya se
conocen, como las leyes de Newton y la conservación de la energía.
¿Qué son los fluidos?
Los fluidos
son sustancias capaces de escurrir, como su nombre lo indica. Pueden fluir y no
conservan su forma cuando sobre ellos actúan fuerzas cortantes, lo que puede
comprobarse fácilmente sumergiendo la mano en un recipiente lleno de agua.
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| Los fluidos no resisten los esfuerzos cortantes. Fuente: Pixabay. |
La materia
se clasifica según el estado de agregación en que se encuentra en:
-Gases
-Líquidos
-Sólidos
-Plasma
Son fluidos
los gases y los líquidos. El plasma por su parte, aunque abundante en el
universo, no es común en el entorno cercano, ya se precisa de temperaturas
sumamente elevadas para existir en estado estable, como en el interior de las
estrellas, por ejemplo.
Para
quienes tienen curiosidad de saber en que consiste este estado de la materia,
les diremos que en él, los átomos carecen de uno o varios electrones. La
materia en estado de plasma consiste pues en átomos ionizados y electrones
libres.
La
intensidad de las fuerzas intermoleculares es la que determina el estado de
agregación. Si las fuerzas entre moléculas son lo suficientemente intensas, la
sustancia conserva su forma, pero si no, la materia se puede encontrar como
líquido.
Y si estas
fuerzas son todavía más débiles, entonces tendremos un gas, en el cual las
moléculas se encuentran bien alejadas entre sí, existiendo poca interacción
entre ellas, excepto cuando ocurren eventuales colisiones.
Los gases y
los líquidos difieren en que los primeros se expanden hasta ocupar todo el
volumen del recipiente que los contiene,
en cambio los líquidos conservan su volumen.
Un sólido
por su parte, es capaz de resistir fuerzas cortantes y conservar su forma, ya
que sus moléculas están bien cercanas y unidas por fuerzas lo suficientemente
intensas.
¿Cómo estudiar el comportamiento de los fluidos?
Muchas
veces no resulta fácil, ya que algunos incluso son transparentes, como el aire
y otros gases, así que ni siquiera los vemos. Seguirle la pista a una partícula
de fluido y hacerle un diagrama de cuerpo libre, por ejemplo, es bien
complicado, como lo es el movimiento que ella sigue.
Por eso
aquí se abandona el modelo de partícula seguido en los cursos básicos de
Física, en el cual cualquier objeto se toma como si fuera un punto sin tamaño
mensurable, ya sea un bloque de madera, un automóvil o un planeta como la
Tierra.
Para
abordar el estudio de los fluidos se estudia una porción del mismo y en vez de concentrarse en la masa y en la
fuerza, es conveniente hacerlo en la densidad
y en la presión.
Densidad
La densidad
se denota con la letra griega ρ (rho)
y cuando es constante, se define como el cociente entre la masa m y el volumen
V de una porción dada de sustancia:
ρ = masa / volumen
ρ = m /V
Cuando la
densidad varía de un punto a otro aún dentro de la misma sustancia, entonces se
toma una porción muy pequeña del fluido, simbolizada con la letra griega Δ
(delta):
ρ = Δm /ΔV
Y si la
porción es infinitesimalmente pequeña, entonces se usan las derivadas.
ρ = dm /dV
En
cualquier caso se trata de una magnitud escalar.
Las
unidades de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades son kg/m3
y en el sistema anglosajón, que se usa con mucha frecuencia en la Mecánica de
los Fluidos, la densidad se expresa como slug/pie3.
En líneas
generales, la densidad no es constante, ya que el volumen se puede ver afectado
por la temperatura y por la presión, como bien sabemos. Cuando las sustancias
se calientan se dilatan aumentando su volumen y por ende disminuyendo la
densidad. Esto sucede tanto en fluidos como en sólidos, aunque los gases son
especialmente sensibles a estas variaciones.
Una
excepción es el agua, que al congelarse aumenta el volumen, tal como lo hemos
experimentado al dejar una botella con agua en el congelador.
El agua, al
ser el fluido universal, es el patrón de referencia común para muchos líquidos.
Su densidad es 1 g/cm3 = 1000 kg /m3 cuando la presión es
de 1 atmósfera y la temperatura es 4º C, ya que así la densidad del agua
alcanza su valor máximo.
Los gases
por su parte muchas veces se comparan con el aire, cuya densidad en condiciones
estándar (1 atmósfera y 0ºC) es de 1.293
x 10-3 g/cm3.
Peso
específico
Otra magnitud importante en la Mecánica de los Fluidos es el peso
específico de la sustancia. Se define como el cociente entre la magnitud del
peso W y el volumen V y se denota con la letra griega γ:
γ = peso /volumen
γ = W/V
Donde la magnitud del peso es W = mg.
Las unidades del peso específico en el Sistema Internacional son
newton/m3 abreviado N/ m3.
En el sistema anglosajón la unidad de fuerza es la libra o libra-fuerza, por lo
tanto el peso específico vendrá dado en libra-fuerza/pie3, abreviado
lb/ft3 o libra-f/pie3.
El peso específico tampoco es constante, ya que depende de la
temperatura, disminuyendo cuando esta aumenta.
Relación entre peso específico y densidad
El peso específico y la densidad están relacionados:
γ = mg/V = ρg
Densidad
relativa y peso específico relativo
La densidad
relativa es la razón entre la masa de una cierta sustancia y una masa con igual
volumen de agua. Se denota de varias formas, por ejemplo ρr o también sg, por las iniciales de specific gravity en inglés. También se
la llama por este nombre en español: gravedad específica o también masa
específica. Todos los términos aluden a un mismo concepto.
Al ser un
cociente entre dos cantidades con iguales dimensiones, la densidad relativa o
gravedad específica es un número que carece de unidades. Sin embargo nos
permite saber de inmediato cuán pesada o ligera es una sustancia en comparación
con el agua, que como hemos dicho antes,
es el patrón casi universal.
De esta
forma:
sg = ρ / ρagua
Usualmente
se toma para ρagua el valor de la densidad a 4 ºC y 1 atmósfera de
presión, tal como se explicó antes. No obstante en el ámbito del petróleo, se
utiliza una temperatura de 15.6 ºC como comparación.
El peso
específico relativo se define de forma análoga, pero en vez de usar la masa se
usa el peso, sin embargo resulta que tienen el mismo valor numérico, ya que la
única diferencia es la gravedad. Por ejemplo el mercurio, cuya densidad es 13.6
gr/cm3 tiene una densidad relativa de 13.6, igual a su peso
específico relativo.
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| Gotas de mercurio, el único mineral líquido a temperatura ambiente en la Tierra. Fuente: Wikimedia Commons. |
Eso
significa que el mercurio es 13,6 veces más pesado que el agua.
He aquí
algunos ejemplos más de gravedades específicas:
-Aire a 20 ºC: 0.001206. Este valor tan
pequeño nos hace suponer acertadamente que el aire es muchísimo más liviano que
el agua.
-Etanol a 20 ºC: 0.790. Es un líquido muy conocido y apreciado, ya que forma parte de las bebidas alcohólicas, y también de algunos manómetros, aparatos destinados a medir la presión.
-Acero en un amplio rango de temperaturas: 7.86. Se trata de un material ampliamente utilizado en la industria.
Referencias
- Mott, R. Mecánica de Fluidos Aplicada.
- Serway, R. Física para Ciencias e Ingeniería.
- Smits, A. Mecánica de Fluidos: una introducción física.
- Zapata, F. Presión atmosférica. Recuperado de: https://www.lifeder.com/presion-atmosferica/
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