32112531-Guia-Didactica-Tema-1-Mec-de-Fluidos

UNEFM-250505.Mecánica de Fluidos
Prof. Ana Peña
TEMA Nº 1. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE FLUIDOS. PROPIEDADES
Introducción a la Mecánica de Fluidos.
La mecánica de fluidos es la disciplina del amplio campo
de la mecánica aplicada que estudia el comportamiento
de líquidos y gases en reposo o en movimiento.
Los principios de mecánica de fluidos son necesarios
para explicar por qué los aviones se fabrican en forma
aerodinámica con superficies lisas para obtener vuelos
más eficaces, en tanto que las pelotas de golf se elaboran
con superficies rugosas (con hoyuelos) a fin de
incrementar su eficacia.
La lista de aplicaciones y preguntas continúa de manera
indefinida, pero ya se ha captado el meollo; la mecánica
de fluidos es un tema práctico muy importante. Es
bastante probable que en el transcurso de la carrera de
ingeniería el lector deba analizar y diseñar sistemas que
requieren una comprensión aceptable de la mecánica de
fluidos.
Mecánica de Fluidos en la Ingeniería.
La mecánica de fluidos abarca la aplicación de los
principios fundamentales de la mecánica y la
termodinámica, para desarrollar un entendimiento físico
de los fenómenos existentes donde los fluidos estén
presentes. Esta rama de las ciencias de la Ingeniería
induce a los futuros ingenieros a conocer herramientas
que los llevarán a analizar fenómenos completos y
complejos en el campo del movimiento de los fluidos.
Objetivo Terminal de la Unidad Curricular.
Al finalizar la unidad curricular, el estudiante estará en
capacidad de conocer los principios y métodos
tecnológicos en el campo del transporte de fluido y la
generación de energía que se puede lograr con los
mismos tanto en reposo como en movimiento.
1. Definición de Fluido.
Específicamente, un fluido se define como una sustancia
que se deforma de manera continua cuando sobre ella
actúa un esfuerzo cortante (Fuerza por unidad de área),
se crea siempre que una fuerza tangencial actúa sobre
una superficie.
Esta definición y el esfuerzo cortante, que es la
resultante de dividir la componente de fuerza tangente a
una superficie por el área de dicha superficie, nos
conducen a la denominada Ley de Viscosidad de
Newton.
Para comprender esta Ley, consideremos dos placas
paralelas, de las cuales la placa inferior se ha fijado y
entre las cuales se coloca una sustancia. Ahora
dividamos la sustancia en capas infinitesimales de
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espesor dy paralelas a las placas. Si se aplica una fuerza
F, a la placa superior, esta ejercerá un esfuerzo cortante
F/A, sobre la sustancia que se encuentra entre las placas,
donde A, es el área de la placa superior, y dada la
adherencia la capa de fluido en contacto con la placa
inferior se mantiene en reposo mientras que la capa de
fluido en contacto con la placa superior se pone en
movimiento con una velocidad vo, igual a la velocidad de
dicha placa. Por lo que las capas intermedias deslizaran
unas sobre otras.
La Ley de Viscosidad de Newton afirma que, F es
directamente proporcional a A y a vo e inversamente
proporcional al espesor yo, en forma de ecuación:
F
A v
y
o
o
Ec.1
Donde µ, es el factor de proporcionalidad o coeficiente
de fricción interna del fluido en particular (conocido
como viscosidad del fluido), además si F / A
tendremos:
v
y
o
o
Ec.2
La relación vo / yo es la velocidad angular de la línea ab
(a: punto de contacto de la placa fija con el fluido y b:
punto de contacto de la placa móvil con el fluido); esta
velocidad angular también puede escribirse como du/dy
ya que ambas relaciones expresan el cambio de
velocidad dividido por la distancia en que dicho cambio
ocurre. Sin embargo du/dy es más general debido a que
se mantiene, es decir, es constante a lo largo de y ya que
se da una distribución lineal de velocidades (los
extremos de los vectores velocidad se encuentran en una
línea recta) para aquellas situaciones en las cuales la

velocidad angular y el esfuerzo cortante cambian con y.
Por lo que sustituyendo en la expresión anterior vo / yo
por du/dy obtenemos en forma diferencial:
du
dy
Ec.3
Que es la Ley de Viscosidad de Newton. (Debiendo
acotarse que esta ley no se aplica para todas las
sustancias).
2. Clasificación de los fluidos: Newtonianos y no
Newtonianos.
Los fluidos para los cuales el esfuerzo cortante esta
relacionado linealmente con la razón de deformación de
corte (también denominado Velocidad de Deformación
Angular) se denomina fluidos newtonianos.
Los Fluidos Newtonianos son aquellos en que los
esfuerzos de corte son directamente proporcionales a la
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tasa de deformación. Expresado en términos de la Ley de
Viscosidad de Newton, son aquellos en los que µ, es
constante. Los fluidos más comunes tales como el agua,
el aire y la gasolina son newtonianos en condiciones
normales.
Afortunadamente, la mayor parte de los fluidos
comunes, tanto líquidos como gaseosos, son
newtonianos. (La velocidad depende del fluido en
cuestión y para un fluido particular, la viscosidad
también depende bastante de la temperatura).
En cambio en los Fluidos No Newtonianos, no existe una
relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante
aplicado y la tasa de deformación angular. Es decir, que
un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad varía
con el gradiente de tensión que se le aplica, como
resultado, no tiene un valor de viscosidad definido y
constante, a diferencia de un fluido newtoniano.
Diagrama de Deformación y Esfuerzo Cortante para Fluidos
Existen sustancias, como el caso de algunos plásticos
que presentan un esfuerzo de fluencia por debajo del
cual se comportan como un sólido, pero vencido este
esfuerzo se comportan como un fluido. Un ejemplo
sencillo de este comportamiento aunque no se trata de un
plástico, es el de la pasta dental, que se comporta como
un "fluido" cuando se presiona el tubo contenedor. Sin
embargo, no fluye por sí misma cuando se deja abierto el
recipiente. Existe un esfuerzo límite, por debajo del cual
la crema dental se comporta como un sólido.
Por lo común, los fluidos no newtonianos se clasifican
con respecto a su comportamiento en el tiempo, es decir,
pueden ser dependientes del tiempo (reopécticos y
tixotrópicos) o independientes del mismo (plástico ideal
o de Bingham, dilatante, pseudosplástico,.., etc).

Un plástico ideal tiene un esfuerzo de fluencia definido y
una relación lineal cortante de a u / y. Una
sustancia Tixotrópica, tal como la tinta de una
impresora, tiene una viscosidad que depende de la
deformación angular inmediatamente anterior de la
sustancia y tiene una tendencia a solidificarse cuando se
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encuentra en reposo. Los gases y los líquidos más
comunes tienden a ser fluidos newtonianos, mientras que
los hidrocarburos espesos y de cadenas largas pueden ser
no newtonianos.

Variación Lineal del Esfuerzo Cortante con la Razón de Deformación para Fluidos Comunes.
Los fluidos más comunes, como agua, aceite, gasolina,
alcohol, queroseno, benceno y glicerina, están
clasificados como fluidos newtonianos.
Por el contrario, un fluido que no se comporta de acuerdo
a la Ec.3, se conoce como fluido no newtoniano.
En contraposición a los fluidos Newtonianos y No-
Newtonianos, tenemos el fluido ideal, que aunque no
existe en la naturaleza, es un término muy usado para
propósitos de análisis, para lo cual se considera el fluido
como incompresible y se hace la suposición que es no
viscoso con lo cual el esfuerzo cortante será siempre cero
independientemente del movimiento del fluido. (y se
representa gráficamente como la abscisa en la fig 5.1)
3. Propiedades de los Fluidos.
Están estrechamente relacionados con el comportamiento
del fluido. Es obvio que fluidos diferentes pueden poseer,
en general, características distintas.
Por ejemplo, los gases son ligeros y comprensibles,
mientras que los líquidos son pesados (por comparación)
y relativamente incompresibles. Un jarabe sale lentamente
de un recipiente, pero el agua lo hace rápidamente cuando
es vertida del mismo recipiente. Para cuantificar estas
diferencias se usan propiedades de los fluidos:
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3.1 Densidad: la densidad de un fluido, designada por la
letra griega ρ (rho), se define como la masa por unidad de
volumen. La densidad se usa para caracterizar la masa de
un sistema fluido. En el sistema IG, las unidades de ρ son
Slug/Pie 3 y en el SI, Kg/m 3 3.3 Volumen específico: designada por la letra ν, se
define como el volumen por unida de masa ν= v/m, y en
consecuencia, es el recíproco de la densidad; es decir:
:
m
v
Donde m: masa, v: volumen
Ec.4
El valor de la densidad puede variar ampliamente entre
fluidos diferentes, pero para líquidos las variaciones de
presión y temperatura en general afectan muy poco el
valor de ρ.
3.2 Densidad Relativa: la densidad de un fluido,
designada por DR, se define como la densidad del fluido
dividida entre la densidad del agua a alguna temperatura
específica. Casi siempre la temperatura específica se
considera como 4 °C (39.2 °F) y a esta temperatura la
densidad del agua es 1.945 o 1000 Kg/m 3 . la ecuación se
expresa como:
DR
H O
2
@4º
C
Ec.5
El valor de DR no depende del sistema de unidades
utilizado. Resulta evidente que la densidad, el peso
específico y la densidad relativa están todos relacionados
y que a partir de cualquiera de ellos es posible calcular los
demás.

1
Esta propiedad no es de uso común en mecánica de
fluidos, pero sí en termodinámica.
3.4 Peso específico: es el peso de u fluido, designada
por la letra griega (gamma), se define como su peso
por unidad de volumen. Así, el peso específico está
relacionado con la densidad por medio de la ecuación:
* g
Ec.7
Donde g es la aceleración local debida a la gravedad. Así
como la densidad se usa para caracterizar la masa de un
sistema fluido, el peso específico se usa para caracterizar
el peso del sistema. En el sistema IG, tiene unidades
de lb/pie 3 y en el SI, las unidades son N/m 3 .
3.5.1 Viscosidad absoluta: la viscosidad de un fluido
es una propiedad importante en el estudio del flujo de
fluidos.
La viscosidad es aquella propiedad del flujo mediante la
cual éste ofrece resistencia al esfuerzo cortante.
La ley de viscosidad de Newton establece que para una
tasa dada de deformación angular del fluido, el esfuerzo
cortante es directamente proporcional a la viscosidad. La
melaza y la brea son ejemplos de líquidos absolutamente
viscosos; el agua y el aire tienen viscosidades muy
pequeñas.
La viscosidad de un gas se incrementa con la temperatura,
mientras que la de un líquido disminuye.
Estas variaciones causadas por la temperatura pueden
explicarse examinando las causas de la viscosidad:
u
y
: Esfuerzo Cortante.
N . S / m Kg/
m.
s
CGS
2
Poise
Ec.8
u : u → Cambio de velocidad angular dividido por la
y t distancia en que este ocurre.
3.5.2 Viscosidad Cinemática: es el cociente de la
viscosidad absoluta o dinámica entre la densidad.
Ec.9
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Ec.6 La viscosidad cinemática aparece en muchas aplicaciones
por ejemplo, en el número adimensional de Reynolds para
el movimiento de un cuerpo dentro de un fluido, V.L/ ,
donde V es la velocidad del cuerpo y L es una medida
lineal representativa del tamaño de éste. Las dimensiones
de son L 2 T -1 . La unidad SI de la viscosidad cinemática
es 1 m 2 /s, y su unidad USC es 1 pie 2 /s. La unidad CGS,
llamada el Stoke (St) es 1 cm 2 /s.
3.6 Presión de vapor: la presión de vapor o más
comúnmente presión de saturación es para un fluido
determinado la presión a la cual a cada temperatura las
fases líquidas y vapor se encuentran en equilibrio; su
valor es independiente de las cantidades de líquido y
vapor presentes mientras existan ambas. En la situación
de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido
saturado y vapor saturado.
A cualquier temperatura los líquidos se evaporan debido
al constante movimiento de las moléculas en la superficie
libre, movimiento que propicia que las moléculas escapen
de la superficie del líquido. A temperatura ambiente el
agua puede evaporarse si la presión desciende lo
suficiente.
100ºC.
A la presión atmosférica el agua se evapora a
A la temperatura de 20ºC la presión de vapor es
2,477Kpa.
3.7 Tensión superficial: describe las fuerzas en la
interfaz entre un gas y un líquido, y se puede interpretar
como la energía necesaria para mantener una superficie.
La interfaz solidó-liquido se puede clasificar como
humectante y no humectante:
F . L
Ec.10
A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que
las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en
el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de
un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de
atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la
molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo,
en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del
líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se
tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el
exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable

debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido
y el gas.
La tensión superficial tiene como principal efecto la
tendencia del líquido a disminuir en lo posible su
superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido
en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, que es
la que tiene menor relación área/volumen.
Otros fenómenos asociados a la tensión superficial son la
capilaridad, la cual se manifiesta visiblemente en la
ascensión de los líquidos en los tubos de vidrio y la
formación de menisco, que en el caso de mercurio tiene
forma convexa ya que la fuerza de cohesión entre sus
moléculas es mayor que la fuerza de adhesión del
mercurio al vidrio y en el caso del agua tiene forma
cóncava ya que la fuerza de adhesión entre el vidrio y el
agua es mayor que la fuerza de cohesión existente entre
las moléculas del agua.
3.8 Módulo de elasticidad: el módulo de elasticidad
es el recíproco de compresibilidad, siendo la
compresibilidad la medida del cambio de volumen y
densidad cuando una sustancia esta sujeta a presiones o
tensiones normales (compresibilidad = % de cambio en
volumen o densidad para un cambio de presión dado), y
esta definida por:
1
V
V
p
T
Ec.11
Donde V, representa el volumen y el subíndice T indica
que la compresión del líquido ocurre a volumen constante
y el signo negativo indica una disminución en el volumen
debido a un incremento en la presión.
Ya que el módulo de elasticidad volumétrica es el
reciproco de β, y se denota como k, se tiene que:
K
V
p
V
T
BIBLIOGRAFÍA
10/10/2009
Ec.12
Mataix, Claudio. MECÁNICA DE FLUIDOS Y
MÁQUINAS HIDRÁULICAS. Editorial Harla,
Segunda Edición, México 1982.Cota UNEFM: TA357
M38. (2)
Streeter, V., Benjamin Wylie, E. MECÁNICA DE
LOS FLUIDOS. McGraw Hill. Cota UNEFM:
TA387 S87.(9v, 18n)
Mott, R., MECANICA DE FLUIDOS APLICADA.
Cota UNEFM: TA357 M68. (2).
Munson, B., FUNDAMENTOS DE MECANICA
DE FLUIDOS, 1999. Cota UNEFM: TA357 M85.
(1)