Este documento presenta una introducción a la mecánica de fluidos. Explica que estudia el comportamiento de los fluidos y define sus dos ramas principales: estática de fluidos y dinámica de fluidos. Luego describe las propiedades fundamentales de los fluidos como densidad, viscosidad, tensión superficial y presión de vapor. Finalmente, introduce conceptos como capilaridad y diagrama reológico para clasificar los fluidos newtonianos y no newtonianos.

1. MECÁNICA DE LOS FLUIDOS
Introducción
La rama de la ingeniería que trata del comportamiento de los fluidos recibe
el nombre de Mecánica de los Fluidos. La mecánica de los fluidos es a su vez una
parte de una disciplina más amplia llamada mecánica de medios continuos, que
incluye también el estudio de sólidos sometidos a esfuerzos.
La mecánica de los fluidos tiene dos ramas importantes para los estudios
que se realizan en ingeniería: la estática de los fluidos, que trata los fluidos en el
estado de equilibrio sin esfuerzo cortante y la dinámica de los fluidos, que trata los
fluidos cuando partes de los mismos se mueven con relación a otras. La
transferencia de momento en un fluido incluye el estudio del movimiento de los
fluidos así como de las fuerzas que producen dicho movimiento. A partir de la
segunda ley de Newton del movimiento, se sabe que la fuerza se relaciona
directamente con la rapidez de cambio del momento de un sistema. Excluyendo a
las fuerzas de acción a distancia, tales como la gravedad, se puede demostrar que
las que actúan sobre un fluido, como la presión y el esfuerzo cortante, son el
resultado de una transferencia microscópica (molecular) de momento.
DEFINICIÓN DE FLUIDO
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le
somete a un esfuerzo cortante, sin importar lo pequeño que sea dicho esfuerzo.
Así, un fluido es incapaz de resistir fuerzas o esfuerzos sin desplazarse, mientras
que un sólido sí puede hacerlo.
El término fluido incluye a gases y líquidos. Hay fluidos que fluyen tan
lentamente que se pueden considerar sólidos (vidrio de las ventanas o el asfalto).
Un líquido está sometido a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de tal
forma que su volumen es definido pero su forma no. Un gas, por otra parte, consta
de partículas en movimiento que chocan unas con otras y tratan de dispersarse de
tal modo que un gas no tiene forma ni volumen definidos y llenará completamente
cualquier recipiente en el cual se coloque.
PROPIEDADES DE UN FLUIDO
Densidad (ρ): es la medida del grado de compactación de un material. Para
un fluido homogéneo se define como la masa por unidad de volumen y depende de
factores tales como su temperatura y la presión a la que está sometido. Sus
unidades en el SI son: kg/m3. Los líquidos son ligeramente compresibles y su
densidad varía poco con la temperatura o la presión.

2. Para una masa dada, la presión, la temperatura y el volumen que ocupa se
relacionan por medio de la ley de los gases: pV = nRT, donde R es la constante de
los gases ideales y T la temperatura absoluta (grados Kelvin).
Ecuación de estado y densidad de gases.
La ecuación fundamental de estado para un gas ideal es:
Donde:
P: es la presión absoluta,
V: es el volumen,
n: es el número de moles,
R: es la constante de los gases (la misma para todos los gases)
T: es la temperatura absoluta. La ecuación de estado se puede escribir también
como
Donde;
M: es el peso molecular del gas. El producto del número de moles y el peso
molecular es la masa del gas.
n/V: es la masa por unidad de volumen, o densidad. El cociente R=M es la
constante del gas, R.
En esta forma la ecuación de estado se puede expresar como:
En realidad no existe un gas ideal. Sin embargo, un gas retirado de la fase
liquida, que es por lo que general hallamos en problemas de flujos de gases, se
comporta como un gas ideal.
Por lo que para determinar la densidad de un gas, simplemente despejamos
ρ de la ecuación anterior:
Peso específico (γ), La fuerza gravitacional por unidad de volumen de
fluido, o simplemente el peso por unidad de volumen, se define como peso
específico. Se representa con el símbolo (γ, gamma). El agua a 20oC tiene un peso
específico de 9.79 kN/m3 en contraste el peso específico del aire a la misma

3. temperatura y a una presión atmosférica normal es de 11.8N/m3. El peso
específico y la densidad están relacionados por:
Gravedad específica (Sr,Sg,Dr): también se conoce como densidad relativa
ó densidad específica. La razón entre el peso específico de un fluido dado y el peso
específico del agua ó la relación de la densidad de un fluido y la densidad del agua a
una temperatura estándar de referencia.
En numerosas ocasiones, la temperatura estándar de de referencia para el
agua se toma como 4 oC, donde el peso específico del agua a presión atmosférica es
9810 N/m3. Con referencia, la gravedad específica del mercurio a 20 oC es
Debido a que la gravedad específica es una relación entre densidades ó
pesos específicos no tiene dimensiones y por supuesto es independiente del
sistema de unidades que se utilice.
Compresibilidad: En la mayoría de los casos, un líquido se podría
considerar incompresible, pero cuando la presión cambia bruscamente, la
compresibilidad se hace evidente e importante. Lo mismo ocurre si hay cambios
importantes de temperatura. La compresibilidad se expresa mediante el módulo
elástico de compresión.
Viscosidad: es una medida de la resistencia del fluido al corte cuando el
fluido está en movimiento. Se le puede ver como una constante de
proporcionalidad entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad. Sus
unidades en el SI son: kg.s/ m3. La viscosidad de un líquido decrece con el aumento
de temperatura, pero en los gases crece con el aumento de temperatura. Esta
diferencia es debido a las fuerzas de cohesión entre moléculas. Esta propiedad
también depende de la presión.
La viscosidad es la resistencia que presenta un líquido para fluir, ésta se
debe a la atracción entre capas sucesivas de moléculas que se oponen al
deslizamiento de una sobre otra. Esta propiedad sólo se manifiesta cuando los
líquidos se mueven. Líquidos como la miel y el aceite "grueso" fluyen menos que el
agua o la gasolina; por eso se denominan líquidos viscosos; cuanto más viscosos
sean fluirán con mayor lentitud. La viscosidad de un líquido generalmente
disminuye al aumentar la temperatura.

4. La viscosidad se mide con aparatos muy sencillos. Uno de ellos es el
viscosímetro capilar, el que mide el tiempo requerido por una cantidad de líquido
para circular a través de un tubo capilar. Por ejemplo: si un líquido (A), tarda el
doble para fluir que otro (B), entonces A es dos veces más viscoso que B. Por ello,
la viscosidad se puede medir en relación con el tiempo de fluidez. Si fluye agua por
un conducto ancho en los extremos y angosto en la parte media, se observará que
cuando el agua pasa por la sección estrecha, su velocidad aumenta y la presión
ejercida sobre las paredes es menor que en los fragmentos amplios. La diferencia
de presiones puede detectarse si se insertan tubos en diferentes secciones del
conducto. El nivel del fluido en el tubo que se encuentra en la parte angosta es
menor que el nivel en el tubo ubicado en una de las secciones anchas.
Este fenómeno fue descubierto por el científico suizo Daniel Bernoulli
(1700-1782), y se conoce como principio de Bernoulli. El mismo fenómeno se
observa con los gases; por ejemplo: debido a la forma de las alas de los aviones, el
aire que pasa por arriba recorre en un intervalo igual de tiempo mayor distancia
que el que circula por debajo. De esta manera, la velocidad del aire en la parte
superior del ala es mayor que en la inferior y, por consiguiente, la presión arriba es
menor. La diferencia de presión del aire produce una fuerza resultante hacia arriba
denominada fuerza de sustentación, la cual sostiene el avión en el aire cuando está
en vuelo.
Tensión superficial: Una molécula dentro del líquido es atraída en todas
direcciones por otras moléculas mediante fuerzas cohesivas. Cuando un líquido
está en contacto con algún otro medio (aire, otro líquido, un sólido) se forma una
superficie de contacto entre el líquido y el otro medio. Dentro del líquido, y lejos de
su superficie de contacto, una molécula se encuentra en equilibrio: la suma de las
fuerzas de atracción es cero. Sin embargo, en la superficie de contacto, la suma de
estas fuerzas tiene como resultante una fuerza neta, perpendicular a la superficie y
con sentido hacia el interior del líquido. Esta fuerza hacia el interior hace que la
superficie de contacto se comporte como una membrana. Una de las consecuencias
de la tensión superficial es la capilaridad.
Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía
necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica
que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto
permite a algunos insectos, como el zapatero desplazarse por la superficie del agua
sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas
intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y
las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. La
capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial
(la cual a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que
le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

5. Por otro lado, la untuosidad es la propiedad que tienen los líquidos de
adherirse a la superficie de los cuerpos sólidos. Se puede considerar su naturaleza
debida a las fuerzas de Van der Waals, la tensión superficial y las fuerzas
electromagnéticas de los constituyentes del líquido y los electrones de superficie
de los sólidos mojados por adhesión del líquido.
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.
Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un
estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina.
Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían
tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las
interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el
disminuir su estado energético, es minimizar el número de partículas en su
superficie. Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una
mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia
del sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número
de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo
posible.
La tensión superficial suele representarse mediante las unidades de N/m = J/m2
Presión de Vapor: Los líquidos se evaporan debido a que las moléculas se
escapan de su superficie. Las moléculas de vapor ejercen una presión parcial en el
espacio que las rodea conocida como "presión de vapor".
Si el espacio encima de la superficie del líquido es limitado, como cuando se
tiene una botella de agua medio llena, después de un cierto tiempo la cantidad de
moléculas que salen del líquido es la misma que el número de moléculas que
golpean la superficie y se condensan, llegando al equilibrio. Como esto depende de
la actividad molecular y ésta es función de la temperatura, la presión de vapor de
un fluido dependerá de la misma y aumentará con ella.
Cuando la presión por encima de un líquido es igual a la presión de vapor
del líquido, se produce la ebullición a temperaturas bajas. Este fenómeno se
denomina "cavitación", la cual consiste en la formación de una cavidad de vapor en
rápida expansión que es barrida lejos de su punto de origen y penetra regiones

6. donde la presión es superior a la presión de la cavidad, produciendo su implosión.
Este fenómeno afecta a las bombas hidráulicas y a las turbinas.
Capilaridad: La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia para
absorber un líquido. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el
líquido y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del
líquido. Esto causa que el menisco tenga una forma curva cuando el líquido está en
contacto con una superficie vertical. En el caso del tubo delgado, éste succiona un
líquido incluso en contra de la fuerza de gravedad. Este es el mismo efecto que
causa que los materiales porosos absorban líquidos.
DIAGRAMA REOLÓGICO (LEY DE VISCOSIDAD DE NEWTON)
Reología: es la ciencia que estudia la deformación y flujo de la materia
cuando está sometida a tensiones y esfuerzos.
Diagrama Reológico: Es la gráfica τ vs dv/dy, que sirve para identificar el
tipo de fluido en función de la viscosidad.

7. En el diagrama reológico, la pendiente de la curva tensión tangencial frente
a la velocidad de deformación es la viscosidad del fluido. Si la pendiente es
constante, se tiene un fluido newtoniano, y a los fluidos de comportamiento
Reológico no lineal se les denomina “no newtoniano”. Normalmente, bajo una
determinada tensión tangencial, la velocidad de deformación no varía con el
tiempo; pero en determinados fluidos, la velocidad de deformación puede
aumentar con el tiempo: fluido reopéctico, o puede disminuir con el tiempo: fluido
tixotrópico.
Fluido Newtoniano: Cumple con la ley de Newton de la viscosidad. Su
viscosidad no varía con la deformación del fluido ni con el tiempo, pero sí puede
ser alterada con un cambio de valor de su temperatura. La relación entre la tensión
tangencial y la velocidad de deformación es lineal, la constante de
proporcionalidad entre ambas variables es la viscosidad dinámica. La
representación de un fluido newtoniano en el diagrama reológico, es una recta que
pasa por el origen, los fluidos muy viscosos son rectas de gran pendiente, y los
poco viscosos son rectas de poca pendiente. Los fluidos más comunes (agua, aire)
exhiben un comportamiento newtoniano.
Fluido no Newtoniano: No cumple con la ley de Newton de la viscosidad.
La relación entre la tensión tangencial y la velocidad de deformación no es lineal.
El esfuerzo cortante y la deformación del fluido dependen del tipo de sustancia que
se considere.

8. Fluido Ideal: si se considera un fluido en donde sus partículas pueden
moverse sin interaccionar unas con otras, se comporta de tal manera que en su
movimiento no hay transferencias entre partículas; su representación en el
diagrama reológico es el eje horizontal: en el proceso de flujo no hay ningún tipo
de esfuerzo tangencial; con este tipo de comportamiento el fluido se denomina
ideal. En un fluido ideal todos los coeficientes de transporte son nulos: viscosidad
nula o fluido no viscoso (coeficiente de transporte de cantidad de movimiento),
conductividad térmica nula (coeficiente de transporte de calor) y difusividad nula
(coeficiente de transporte de masa).
Plástico Ideal ó Plástico De Bingham: se comporta como un fluido
newtoniano, pero tiene una tensión tangencial umbral, por debajo de la cual el
fluido no fluye; sometido a tensiones tangencial mayores que el umbral, existe una
deformación continua, que es proporcional a la tensión aplicada. En el diagrama
reológico un plástico de Bingham está representado por una recta de determinada
pendiente que se inicia en la tensión umbral. Este tipo de comportamiento, lo
suelen tener los fluidos empleados en alimentación: mayonesa, mostaza,
margarina, ketchup,...
Pseudoplástico: bajo tensiones tangenciales pequeñas fluye con dificultad,
pero conforme se aumenta las tensiones de corte, el proceso de fluir mejora, es
decir va disminuyendo la viscosidad; en el diagrama reológico un pseudoplástico
está representado por una curva que pasa por el origen, monótona decreciente, es
decir, de viscosidad (pendiente) continuamente decreciendo con el aumento de
tensión aplicada. Este comportamiento, es el que tiene las suspensiones, en donde
en el seno de un fluido hay una cierta densidad de partículas sólidas: a tensiones
tangenciales bajas, las partículas sólidas siguen homogéneamente repartidas, y
conforme aumentan las tensiones tangenciales, éstas orientan las partículas
sólidas con el flujo, y la suspensión baja su viscosidad.
Fluido Viscoelástico: tiene un comportamiento reológico con dos
componentes: una componente de sólido elástico a través del módulo de
elasticidad de cizalla, y una componente de fluido viscoso a través de su coeficiente
de viscosidad. Los polímeros de peso molecular elevado, se comportan como fluido
viscoelástico: bajo pequeños esfuerzos, el comportamiento es prácticamente de
sólido elástico, al tenerse grandes agrupaciones de macromoléculas; cuando se
fuerza el proceso de fluir, el flujo orienta longitudinalmente las macromoléculas, y
el comportamiento es prácticamente como un fluido.
Fluido Dilatante: su proceso de deformación continua bajo esfuerzos
tangenciales es menos acusado conforme aumentan los citados esfuerzos; en un
diagrama reológico su comportamiento está representado por una curva que pasa
por el origen, monótona creciente, es decir, de viscosidad continuamente creciente

9. con el aumento de la tensión tangencial aplicada. Es lo que ocurre en las
emulsiones, en donde el movimiento relativo entre partículas, originado por el
flujo hace que aumenten las uniones dipolares, con lo que aumenta la viscosidad.
Tensión Superficial: Es una fuerza que produce efectos de tensión en la
superficie de los líquidos, justamente donde el fluido entra en contacto con otro
fluido no miscible, particularmente un líquido con un gas o con un contorno sólido.
El origen de esta fuerza es la cohesión intermolecular y la adhesión del fluido al
sólido. La tensión superficial es numéricamente igual a la fuerza de estiramiento
necesaria para formar una película o membrana, por unidad de longitud de una
línea hipotética trazada sobre la película en equilibrio.