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Prólogo

     Este libro ha sido concebido con el principal propósito de complementar los textos ordinarios (de
mecánica de los fluidos e hidráulica. Se basa en la convicción del autor de que el esclarecimiento y
comprensión de los principios fundamentales de cualquier rama de la mecánica se obtienen mejor mediante
numerosos ejercicios ilustrativos.
      La anterior edición de este libro ha sido acogida muy favorablemente. En esta segunda edición,
 muchos de los capítulos han sido revisados y adicionados con objeto de poner al día determinados temas de
 acuerdo con los más recientes conceptos, métodos y terminología. Se ha dedicado especial atención al
 análisis dimensional recogiendo los nuevos materiales en el Capítulo 5. La revisión más extensa se ha
 llevado a cabo en los capítulos que tratan los fundamentos del flujo de fluidos, flujo de fluidos en
 tuberías y flujo en canales abiertos.
     La materia se divide en capítulos que abarcan áreas bien definidas de teoría y estudio. Cada capítulo
se inicia con el establecimiento de las definiciones pertinentes, principios y teoremas, junto con el
material ilustrativo y descriptivo al que sigue una serie de problemas resueltos y problemas propuestos. Los
problemas resueltos ilustran y amplían la teoría, presentan métodos de análisis, proporcionan ejemplos
prácticos e iluminan con aguda perspectiva aquellos aspectos de detalle que capacitan al estudiante para
aplicar los principios fundamentales con corrección y seguridad. El análisis del cuerpo libre, los diagramas
vectoriales, los principios de trabajo y energía de la cantidad de movimiento y las leyes de Newton se
utilizan a lo largo de todo el libro. No se ha regateado esfuerzo para presentar problemas originales
desarrollados por el autor en los largos años dedicados a la enseñanza de .esta materia. Entre los problemas
resueltos se incluyen numerosas demostraciones de teoremas y deducciones de fórmulas. El elevado
número de problemas propuestos asegura un repaso completo del material de cada capítulo.
      Los alumnos de las Escuelas de Ingeniería reconocerán la utilidad de este libro al estudiar la me-
cánica de los fluidos y, adicionalmente, aprovecharán la ventaja de su posterior empleo como libro de
referencia en su práctica profesional. Encontrarán soluciones muy detalladas de numerosos problemas
prácticos y, cuando lo necesiten, podrán recurrir siempre al resumen de la teoría. Asimismo, el libro
puede servir al ingeniero profesional que ha de recordar esta materia cuando es miembro de un tribunal
examinador o por cualesquiera otras razones.
     Deseo expresar mi agradecimiento a mi colega Robert C. Stiefel, que ha comprobado cuidado-
samente la solución de muchos de los nuevos problemas. También he de expresar mi gratitud a la redacción
de la Schaum Publishing Company y, muy particularmente, a Henry Hayden y Nicola Miracapillo, por sus
inestimables sugerencias e inapreciable cooperación.

                                                                                      RANALD V. GILES
Tabla de materias
                                                                                                                     Páginas

Capítulo       1      PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS                                                                            1
                            La mecánica de los fluidos y la hidráulica. Definición de fluido. Sistema técnico de
                            unidades. Peso específico. Densidad de un cuerpo. Densidad relativa de un cuerpo.
                            Viscosidad de un fluido. Presión de vapor. Tensión superficial. Capilaridad. Presión
                            de un fluido. La presión. Diferencia de presiones. Variaciones de la presión en un
                            fluido compresible. Altura o carga de presión h. Módulo volumétrico de elasticidad
                            (E). Compresión de los gases. Para condiciones isotérmicas. Para condiciones
                            adiabáticas o isoentrópicas. Perturbaciones en la presión.



Capítulo     2       FUERZAS HIDROSTÁTICAS SOBRE LAS SUPERFICIES. . . . . . . .                                      22
                             Introducción. Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana. Tensión
                             circunferencial o tangencial. Tensión longitudinal en cilindros de pared delgada.



Capítulo 3         EMPUJE Y FLOTACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     36
                            Principio de Arquímedes. Estabilidad de cuerpos sumergidos y flotantes.



Capítulo     4        TRASLACIÓN Y ROTACIÓN DE MASAS LIQUIDAS. . . . . . . . . . .                                    42
                            Introducción. Movimiento horizontal. Movimiento vertical. Rotación de masas
                            fluidas. Recipientes abiertos. Rotación de masas fluidas. Recipientes cerrados.



Capítulo   5         ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRÁULICA . . . . . . .                                       50
                            Introducción. Análisis dimensional. Modelos hidráulicos. Semejanza geométrica.
                            Semejanza cinemática. Semejanza dinámica. La relación entre las fuerzas de inercia.
                            Relación de las fuerzas de inercia a las de presión. Relación de las fuerzas de inercia a
                            las viscosas. Relación de las fuerzas de inercia a las gravitatorias. Relación de las
                            fuerzas de inercia a las elásticas. Relación de las fuerzas de inercia a la de tensión
                            superficial. Relación de tiempos.



Capítulo 6          FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                           70
                             Introducción. Flujo de fluidos. Flujo permanente. Flujo uniforme. Líneas de
                             corriente. Tubos de corriente. Ecuación de continuidad. Red de corriente. Ecuación
                             de la energía. Altura de velocidad. Aplicación del teorema de Bernoul-li. Línea de
                             energías o de alturas totales. Línea de alturas piezométricas. Potencia.
TABLA DE MATERIAS

                                                                                                                    Páginas

Capítulo       7      FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS.                                                                       96

                              Introducción. Flujo laminar. Velocidad crítica. Número de Reynolds. Flujo
                              turbulento. Tensión cortante en la pared de una tubería. Distribución de
                              velocidades. Pérdida de carga en flujo laminar. Fórmula de Darcy-Weisbach.
                              Coeficiente de fricción. Otras pérdidas de carga.




    Capítulo 8        SISTEMAS DE TUBERÍAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN
                        PARALELO Y RAMIFICADAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
                              Sistemas de tubejías. Sistemas de tuberías equivalentes. Sistemas de tuberías
                              compuestas o en serie, en paralelo y ramificadas. Métodos de resolución.
                              Fórmula de Hazen-Williams.




    Capítulo   9     MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .             133

                              Introducción. Tubo de Pitot. Coeficiente de descarga. Coeficiente de velocidad.
                              Coeficiente de contracción. Pérdida de carga. Vertederos de aforo. Fórmula teórica
                              de un vertedero. Fórmula de Francis. Fórmula de Banzin. Fórmula de Fteley y
                              Stearns. Fórmula del vertedero triangular. La fórmula del vertedero trapezoidal.
                              Para presas empleadas como vertederos. E! tiempo de
                                 vaciado de depósitos. El tiempo para establecer el flujo.



    Capítulo 10     FLUJO EN CANALES ABIERTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .            160


                              Canal abierto. Flujo uniforme y permanente. Flujo no uniforme. Flujo laminar.
                              La fórmula de Chezy. El coeficiente C. El caudal Q. La pérdida de carga.
                              Distribución vertical de la velocidad. Energía específica. Profundidad crítica.
                              Caudal unitario máximo. En canales no rectangulares y para un flujo critico.
                              Flujo no uniforme. Los vertederos de aforo de pared gruesa. Resalto hi-
                              dráulico.




Capítulo       //    FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN
                      MOVIMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      192

                              Introducción. El principio de impulso-caníidad de movimiento. El coeficiente de
                              corrección de la cantidad de movimiento. Resistencia. Sustentación. Resistencia total.
                              Coeficientes de resistencia. Coeficientes de sustentación. Número de Mach. Teoría de
                              la capa límite. Placas planas. Golpe de ariete. Velocidades supersónicas.




    Capítulo 12     MAQUINARIA HIDRÁULICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      225

                              Maquinaria hidráulica. En el caso de rodetes. Ruedas hidráulicas, bombas y soplantes.
                              Velocidad específica. Rendimiento. Cavitación. Propulsión por hélices. Los
                              coeficientes de la hélice.
TABLA DE MATERIAS
APÉNDICES                                                                                                                      Páginas


Tabla 1.       Propiedades aproximadas de algunos gases.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                            246
      2.       Densidad relativa y viscosidad cinemática de algunos líquidos. . . . . . .                                          247
      3.       Coeficiente de fricción / para agua solamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                            248
      4.       Pérdidas de carga en accesorios.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                 249
      5.       Valores de K*. Contracciones y ensanchamientos.. . . . . . . . . . . . . . . . . .                                  250
      6.       Algunos valores del coeficiente Cl de Hazen-Williams. . . . . . . . . . . . . .                                     250
      7.       Coeficientes de desagüe para orificios circulares de arista viva.. . . . . .                                        251
      8.       Algunos factores de expansión Y para flujo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                            252
      9.       Algunos valores medios de n empleados en las fórmulas de Kutter y de
                                                                                                                                   Ma
                nning y de m en la fórmula de Bazin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                             252
        10.    Valores de C de la fórmula de Kutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                         253
        11.    Valores del factor de descarga K para canales trapezoidales. . . . . . . . .                                        254
        12.    Valores del factor de descarga K' para canales trapezoidales. . . . . . . .                                         255
        13.    Áreas, de círculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
               .256
        14.    Pesos y dimensiones de tuberías de fundición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                             256




DIAGRAMAS

Diagramas A-l. Diagrama de Moody para coeficientes de fricción f. . . . . . . . . .                                                257
          A-2. Diagrama de Moody modificado para coeficientes de fricción /
                  (solución directa para el flujo Q). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                              258
          B. C. Nomograma de caudales, fórmula de Hazen-Williams (C = 100).                                                       259
1               Coeficiente para orificios medidores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                              260
          D.
          E.    Coeficientes para boquillas de aforo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                261
          F.    Coeficientes para venturímetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                           262
          G.    Coeficiente de resistencia en función de RE. . . . . . . . . . . . . . . . . .                                     263
          H.    Coeficientes de resistencia para placas planas y lisas.. . . . . . . . .                                           264
                Coeficientes de resistencia a velocidades supersónicas. . . . . . . . .                                            265


ÍNDICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .          267
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  • 1.
  • 2. Prólogo Este libro ha sido concebido con el principal propósito de complementar los textos ordinarios (de mecánica de los fluidos e hidráulica. Se basa en la convicción del autor de que el esclarecimiento y comprensión de los principios fundamentales de cualquier rama de la mecánica se obtienen mejor mediante numerosos ejercicios ilustrativos. La anterior edición de este libro ha sido acogida muy favorablemente. En esta segunda edición, muchos de los capítulos han sido revisados y adicionados con objeto de poner al día determinados temas de acuerdo con los más recientes conceptos, métodos y terminología. Se ha dedicado especial atención al análisis dimensional recogiendo los nuevos materiales en el Capítulo 5. La revisión más extensa se ha llevado a cabo en los capítulos que tratan los fundamentos del flujo de fluidos, flujo de fluidos en tuberías y flujo en canales abiertos. La materia se divide en capítulos que abarcan áreas bien definidas de teoría y estudio. Cada capítulo se inicia con el establecimiento de las definiciones pertinentes, principios y teoremas, junto con el material ilustrativo y descriptivo al que sigue una serie de problemas resueltos y problemas propuestos. Los problemas resueltos ilustran y amplían la teoría, presentan métodos de análisis, proporcionan ejemplos prácticos e iluminan con aguda perspectiva aquellos aspectos de detalle que capacitan al estudiante para aplicar los principios fundamentales con corrección y seguridad. El análisis del cuerpo libre, los diagramas vectoriales, los principios de trabajo y energía de la cantidad de movimiento y las leyes de Newton se utilizan a lo largo de todo el libro. No se ha regateado esfuerzo para presentar problemas originales desarrollados por el autor en los largos años dedicados a la enseñanza de .esta materia. Entre los problemas resueltos se incluyen numerosas demostraciones de teoremas y deducciones de fórmulas. El elevado número de problemas propuestos asegura un repaso completo del material de cada capítulo. Los alumnos de las Escuelas de Ingeniería reconocerán la utilidad de este libro al estudiar la me- cánica de los fluidos y, adicionalmente, aprovecharán la ventaja de su posterior empleo como libro de referencia en su práctica profesional. Encontrarán soluciones muy detalladas de numerosos problemas prácticos y, cuando lo necesiten, podrán recurrir siempre al resumen de la teoría. Asimismo, el libro puede servir al ingeniero profesional que ha de recordar esta materia cuando es miembro de un tribunal examinador o por cualesquiera otras razones. Deseo expresar mi agradecimiento a mi colega Robert C. Stiefel, que ha comprobado cuidado- samente la solución de muchos de los nuevos problemas. También he de expresar mi gratitud a la redacción de la Schaum Publishing Company y, muy particularmente, a Henry Hayden y Nicola Miracapillo, por sus inestimables sugerencias e inapreciable cooperación. RANALD V. GILES
  • 3. Tabla de materias Páginas Capítulo 1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 1 La mecánica de los fluidos y la hidráulica. Definición de fluido. Sistema técnico de unidades. Peso específico. Densidad de un cuerpo. Densidad relativa de un cuerpo. Viscosidad de un fluido. Presión de vapor. Tensión superficial. Capilaridad. Presión de un fluido. La presión. Diferencia de presiones. Variaciones de la presión en un fluido compresible. Altura o carga de presión h. Módulo volumétrico de elasticidad (E). Compresión de los gases. Para condiciones isotérmicas. Para condiciones adiabáticas o isoentrópicas. Perturbaciones en la presión. Capítulo 2 FUERZAS HIDROSTÁTICAS SOBRE LAS SUPERFICIES. . . . . . . . 22 Introducción. Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana. Tensión circunferencial o tangencial. Tensión longitudinal en cilindros de pared delgada. Capítulo 3 EMPUJE Y FLOTACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Principio de Arquímedes. Estabilidad de cuerpos sumergidos y flotantes. Capítulo 4 TRASLACIÓN Y ROTACIÓN DE MASAS LIQUIDAS. . . . . . . . . . . 42 Introducción. Movimiento horizontal. Movimiento vertical. Rotación de masas fluidas. Recipientes abiertos. Rotación de masas fluidas. Recipientes cerrados. Capítulo 5 ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRÁULICA . . . . . . . 50 Introducción. Análisis dimensional. Modelos hidráulicos. Semejanza geométrica. Semejanza cinemática. Semejanza dinámica. La relación entre las fuerzas de inercia. Relación de las fuerzas de inercia a las de presión. Relación de las fuerzas de inercia a las viscosas. Relación de las fuerzas de inercia a las gravitatorias. Relación de las fuerzas de inercia a las elásticas. Relación de las fuerzas de inercia a la de tensión superficial. Relación de tiempos. Capítulo 6 FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Introducción. Flujo de fluidos. Flujo permanente. Flujo uniforme. Líneas de corriente. Tubos de corriente. Ecuación de continuidad. Red de corriente. Ecuación de la energía. Altura de velocidad. Aplicación del teorema de Bernoul-li. Línea de energías o de alturas totales. Línea de alturas piezométricas. Potencia.
  • 4. TABLA DE MATERIAS Páginas Capítulo 7 FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS. 96 Introducción. Flujo laminar. Velocidad crítica. Número de Reynolds. Flujo turbulento. Tensión cortante en la pared de una tubería. Distribución de velocidades. Pérdida de carga en flujo laminar. Fórmula de Darcy-Weisbach. Coeficiente de fricción. Otras pérdidas de carga. Capítulo 8 SISTEMAS DE TUBERÍAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Sistemas de tubejías. Sistemas de tuberías equivalentes. Sistemas de tuberías compuestas o en serie, en paralelo y ramificadas. Métodos de resolución. Fórmula de Hazen-Williams. Capítulo 9 MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Introducción. Tubo de Pitot. Coeficiente de descarga. Coeficiente de velocidad. Coeficiente de contracción. Pérdida de carga. Vertederos de aforo. Fórmula teórica de un vertedero. Fórmula de Francis. Fórmula de Banzin. Fórmula de Fteley y Stearns. Fórmula del vertedero triangular. La fórmula del vertedero trapezoidal. Para presas empleadas como vertederos. E! tiempo de vaciado de depósitos. El tiempo para establecer el flujo. Capítulo 10 FLUJO EN CANALES ABIERTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Canal abierto. Flujo uniforme y permanente. Flujo no uniforme. Flujo laminar. La fórmula de Chezy. El coeficiente C. El caudal Q. La pérdida de carga. Distribución vertical de la velocidad. Energía específica. Profundidad crítica. Caudal unitario máximo. En canales no rectangulares y para un flujo critico. Flujo no uniforme. Los vertederos de aforo de pared gruesa. Resalto hi- dráulico. Capítulo // FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Introducción. El principio de impulso-caníidad de movimiento. El coeficiente de corrección de la cantidad de movimiento. Resistencia. Sustentación. Resistencia total. Coeficientes de resistencia. Coeficientes de sustentación. Número de Mach. Teoría de la capa límite. Placas planas. Golpe de ariete. Velocidades supersónicas. Capítulo 12 MAQUINARIA HIDRÁULICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Maquinaria hidráulica. En el caso de rodetes. Ruedas hidráulicas, bombas y soplantes. Velocidad específica. Rendimiento. Cavitación. Propulsión por hélices. Los coeficientes de la hélice.
  • 5. TABLA DE MATERIAS APÉNDICES Páginas Tabla 1. Propiedades aproximadas de algunos gases.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 2. Densidad relativa y viscosidad cinemática de algunos líquidos. . . . . . . 247 3. Coeficiente de fricción / para agua solamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 4. Pérdidas de carga en accesorios.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5. Valores de K*. Contracciones y ensanchamientos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 6. Algunos valores del coeficiente Cl de Hazen-Williams. . . . . . . . . . . . . . 250 7. Coeficientes de desagüe para orificios circulares de arista viva.. . . . . . 251 8. Algunos factores de expansión Y para flujo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9. Algunos valores medios de n empleados en las fórmulas de Kutter y de Ma nning y de m en la fórmula de Bazin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 10. Valores de C de la fórmula de Kutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 11. Valores del factor de descarga K para canales trapezoidales. . . . . . . . . 254 12. Valores del factor de descarga K' para canales trapezoidales. . . . . . . . 255 13. Áreas, de círculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 14. Pesos y dimensiones de tuberías de fundición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 DIAGRAMAS Diagramas A-l. Diagrama de Moody para coeficientes de fricción f. . . . . . . . . . 257 A-2. Diagrama de Moody modificado para coeficientes de fricción / (solución directa para el flujo Q). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 B. C. Nomograma de caudales, fórmula de Hazen-Williams (C = 100). 259 1 Coeficiente para orificios medidores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 D. E. Coeficientes para boquillas de aforo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 F. Coeficientes para venturímetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 G. Coeficiente de resistencia en función de RE. . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 H. Coeficientes de resistencia para placas planas y lisas.. . . . . . . . . 264 Coeficientes de resistencia a velocidades supersónicas. . . . . . . . . 265 ÍNDICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
  • 6.
  • 7.
  • 8. S I
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