1. 01 de abril del
2024
SEMESTRE
ACADÉMICO 24A
INICIO
CURSO: MECANICA DE FLUIDOS I
DOCENTE: JUAN MANUEL PALOMINOCORREA
ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA MECÁNICA Y DE
INGENIERIA EN ENERGIA
2. Dr. JUAN MANUEL PALOMINO CORREA
Mecánica de Fluidos I
UNIVERSIDAD DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
Y DE ENERGIA
4. I UNIDAD:Fundamentos de mecánica de Fluidos
Contenido
• Introducción e historia de la mecánica de fluidos.
• Definición de fluido y esfuerzo cortante.
• Clasificación de los fluidos
• Áreas de aplicación de la mecánica de fluidos
• Propiedades de los fluidos: viscosidad, presión, densidad, peso
específico y gravedad específica.
• Fluidos Newtonianos y no Newtonianos.
• Variación de la viscosidad con la temperatura, índice de viscosidad y
medición de la viscosidad.
• Problemas de Aplicación.
• Almacenamiento de líquidos y gases.
5. Resumen histórico de la Mecánica de Fluidos
• La Mecánica de fluidos tiene sus orígenes en la hidráulica, tanto en
Mesopotamia como en Egipto alrededor del año 400 a.C. proliferaron las
obras hidráulicas que aseguraban el regadío. Posteriormente, los imperios
griegos, chino y especialmente, el romano se caracterizan por una gran
profusión de obras hidráulicas.
• Al final de siglo XIX comienza la unificación entre hidráulicos e
hidrodinámicos. La Mecánica de Fluidos moderna nace con Pascal, que en las
primeras décadas del XX elaboró la síntesis entre la hidráulica práctica y la
hidrodinámica teórica.
• Cinco matemáticos del siglo XVIII, Bernoulli, Clairaut, D’Alembert, Lagrange y
Euler habían elaborado con el naciente cálculo diferencial e integral una
síntesis hidrodinámica perfecta; pero no habían obtenido grandes resultados
prácticos.. Excepcionalmente un científico, Reynolds, buscó y halló apoyo
experimental a sus teorías, y un técnico, Froude, buscó basé física a sus
experimentos.
6. Historia de la Mecánica de Fluidos
Civilizaciones
Antiguas
Diseño de lanchas
y barcos, desarrollo
de abastecimiento
de agua.
Sin conocimiento
matemático y
mecánico.
Civilización
Griega e imperio
romano.
Primeros escritos
de Arquímedes.
Principios de la
hidrostática y la
flotación.
Leonardo da
Vinci (inicio de
la mecánica
experimental),
Galileo Galilei,
Newton, etc.
Periodo
Renacimiento
1 Etapa 2 Etapa 3
Etapa
4
Etapa
Siglo XX
Hidrodinámi
ca teórica e
hidráulica
experimental
.
7. Mecánica de Fluidos
La mecánica de fluidos es la disciplina que
estudia el comportamiento de líquidos y
gases en reposo (estática) o en movimiento
(dinámica). (Young, Donald).
8. Definición de FLUIDO:
Sustancia que se deforma constantemente
cuando se somete a un esfuerzo cortante
(por más pequeño que sea).
Sustancia que ocupa la forma del recipiente
que lo contiene (LIQUIDO).
Sustancia que ocupa la forma y el volumen
del recipiente que lo contiene (GAS).
9. Un FLUIDO
Sólido Fluido
Duro y no se deforma
fácilmente.
Suave y se deforma
fácilmente.
Posee moléculas poco
espaciadas y ordenadas.
Las moléculas están mas
espaciadas, mayor libertad
de movimiento.
Un fluido es una sustancia que se deforma de manera continua cuando sobre ella actúa
una fuerzo cortante (fuerza por unidad de área) de cualquier magnitud.
11. Caracterización de Fluidos
Un fluido puede ser caracterizado de diferentes maneras:
• Espaciamiento molecular
• Actividad molecular
En un fluido el espaciamiento entre moléculas es mayor que en un
sólido, como también es mayor el rango de movimiento de las
moléculas de un gas.
Se clasifican en líquidos y gases, los fluidos.
12. OBJETIVOS
• Distinguir el comportamiento de un fluido en comparación con los
otros estados existentes de la materia (solidó, liquido, gaseoso,
plasma)
• Conocer y entender los principios básicos de la Mecánica de Fluidos,
que estudia las leyes del comportamiento de los fluidos en equilibrio
(Hidrostática) y en movimiento (Hidrodinámica)
13. APLICACIONES
• En el diseño de los medios de transporte: aviones, buques,
submarinos y típicamente automóviles, los fabricantes han dado
mayor interés a consideraciones aerodinámicas.
• En la selección y diseño de las maquinas hidráulicas, bombas,
ventiladores y turbinas.
• Maquinas motoras: Turbinas hidráulicas
• Maquina generadora: sistemas de refrigeración, conducciones
hidráulicas, biomecánica, ingeniería aeronáutica, instalaciones
residenciales, etc.
• https://www.youtube.com/watch?v=3bkh3HkKL8w
• https://www.youtube.com/watch?v=ycStpC16OwA
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17.
18. ESTADOS DE LA MATERIA
• SÓLIDO
• LIQUIDO:
• GASEOSO:
• PLASMA: se alcanza con muy altas temperaturas o bajas
• presiones
• CONDENSADO BOSE-EINSTEIN
• HIELO SUPERIONICO
FLUIDOS
ESENCIALES PARA LA VIDA
Y
ABUNDANTES EN LA NATURALEZA
EL AIRE ESTA PRESENTE Y RODEA TODAS LAS ACCIONES HUMANAS
LA HUMANIDAD VIVE : SUMERGIDOEN EL FONDO DE UN
OCEANO DE AIRE ( TORRICELLI)
19. El fluido como medio continuo
• Como toda la materia, los fluidos están compuestos por un gran
número de moléculas en permanente movimiento. Esto se debe a
que en la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería lo que
interesa son los efectos promedio o macroscópicos de un gran
número de moléculas. Estos efectos macroscópicos son los que
corrientemente percibimos y medimos. Es por ello que en la
definición de fluido no se hace referencia a la estructura molecular
de la materia. Por esta razón se trata a un fluido como una sustancia
infinitamente indivisible, dicho de otro modo un medio continuo,
sin importar el comportamiento individual de las moléculas.
• Como una consecuencia de esta idealización, se considera que cada
propiedad del fluido tiene un valor definido en cada punto del
espacio, si a ello se le agrega que la propiedad puede variar en el
tiempo.por ello, la densidad, temperatura, velocidad, etc., se
consideran como funciones continuas de la posición y el tiempo.
• ρ = ρ (x,y,z,t)T= T(x,y,z,t)V=V(x,y,z,t)
20. Dimensiones y unidades
• En los cursos de física básica el estudiante de ingeniería ha aprendido a
manejar sistemas de dimensiones y unidades, por lo que seguramente
estos conceptos le resultan muy familiares. Sin embargo dada la
importancia de este tema en la solución de problemas de mecánica de
fluidos que exigen respuestas concretas, se presenta en estas notas un
breve repaso de dimensiones y unidades.
• Existen varios sistemas de unidades, variando generalmente estos de pais
a pais. Los sistemas de unidades nacen de la necesidad de expresar
resultados en numeros los cuales deben ser fiables para efectos de diseño.
• En la mecánica de fluidos, como en otras ramas de las ciencias de
ingeniería, se usan magnitudes de diferente naturaleza con la
característica común de que son susceptibles de medición. Unas son de
naturaleza abstracta, como el tiempo, la longitud, la velocidad, etc. y
otras son una medida de las manifestaciones moleculares globales de las
sustancias como por ejemplo: la densidad, la presión, la temperatura, etc
• Sistema internacional SI
21. MAGNITUDES Y UNIDADES FUNDAMENTALES EN EL
SISTEMA INTERNACIONAL TABLA 1.1
MAGNITUD
DIMENSIO
N
NOMBRE
SIMBOL
O
Masa M Kilogramo Kg.
Longitud L Metro m
Tiempo T Segundo s
Corriente
Eléctrica
Amperio A
Temperatura Kelvin K
Cantidad de
Sustancia
Mol mol
Intensidad
Luminosa
Candela cd
Angulo Plano Radian Rad
Angulo Sólido Estereorradián Sr.
22. TABLA 1
Magnitud Representación dimensional Unidad SI
Velocidad Lθ-1 m/s
Aceleración Lθ-2 m/s2
Fuerza ML2 θ-2 N (Kg.m/s2)
Área L2 M2
Volumen L3 M3
Presión F/L2 = ML-1θ-2 Pa (N/m2 )
Densidad ML-3 Kg/m3
Energía FL = ML-1θ-2 J (Kg/m/s2)
Potencia FL/θ = ML-1θ-3 W (Kg/m/s3)
Energía Interna u FL/M = M2L-2 J/Kg (N-m/Kg)
Viscosidad ML-1θ-1 Kg/m/s
Viscosidad cinemática L2θ-1 m2/s
23. Principio de Homogeneidad dimensional
Cualquier ecuación deducida analíticamente y que represente un fenómeno físico debe
satisfacerse en cualquier sistema de unidades.
Este principio se sustenta en el hecho de que los fenómenos naturales ocurren de manera
independiente a los sistemas de unidades, pues estos últimos son invención del hombre.
Una consecuencia de este principio es que, una ecuación válida que relaciona magnitudes
físicas debe ser dimensionalmente consistente (homogénea). Esto quiere decir, en términos
sencillos, que las dimensiones de cada término de una ecuación deben ser las mismas.
2 manzanas + 2 naranjas ≠ 4 manzanas
3 conejos ≠ 3 zanahorias
Los corchetes representan las dimensiones de:
si X = A + B Ley fisica
Entonces: {X} = {A} + {B}
24. OBJETIVOS DEL ANALISIS DIMENSIONAL
• Expresar las magnitudes derivadas en función de las magnitudes
fundamentales.
• Comprobar si las formulas físicas son correctas, mediante el principio de
homogeneidad dimensional.
• Determinar formulas empíricas a partir de datos experimentales
26. Propiedades de los fluidos
Propiedades Extensivas e Intensivas
•En termodinámica se distingue entre
aquellas propiedades cuyo valor depende de
la cantidad total de masa presente, llamadas
propiedades extensivas, y aquellas
propiedades cuya medida es independiente
de la cantidad total de masa presente que son
llamadas propiedades intensivas.
27. PROPIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS
DEFINICIÓN DE PROPIEDADES INTENSIVAS
• Son aquellas propiedades que no dependen de la cantidad o
tamaño del material. También se conocen como propiedades
intrínsecas o locales.
• Imaginemos que tenemos un sistema con una propiedad X.
Si dividimos el sistema en partes A, B y C, la propiedad X de A
es igual a la propiedad X de B y de C:
• Clave para recordar si una propiedad es intensiva: la
propiedad de las partes es igual a la propiedad del sistema.
28. Propiedades extensivas
Son aquellas propiedades que dependen del tamaño
del sistema. En este caso, si dividimos un sistema en
partes A, B y C, entonces la propiedad del sistema
será igual o mayor a la suma de las partes:
Clave para recordar si una propiedad es extensiva: la propiedad de las
partes se suma a la propiedad del sistema.
La relación o cociente de dos propiedades extensivas se transforma en
una propiedad intensiva. Por ejemplo, la densidad es la división de dos
propiedades extensivas: la masa y el volumen.
29. Densidad
La densidad es una de las propiedades más habituales y
útiles en el estudio de los fluidos: relaciona la masa de una
porción de fluido y el volumen que esta porción ocupa
Se expresa como: r = m / v
Sus unidades de medida son:
g / cm3 = g /ml
kg / L = 1000 kg / m3
lb / pie3
30. Densidad
• En física y química, la densidad o masa específica (símbolo ρ) es
una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida
en un determinado volumen de una sustancia.
• Ejemplo: un objeto pequeño y pesado, como una piedra de
granito o un trozo de plomo, es más denso que un objeto grande
y liviano hecho de corcho o de espuma de poliuretano.
31. Densidad
• La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la
relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el
Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3),
aunque frecuentemente se expresa en g/cm3. La densidad es una
magnitud intensiva
donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen del
determinado cuerpo.
32. Densidad relativa
La densidad relativa o gravedad especifica de una sustancia es la relación
existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia (agua); en
consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades)
donde ρr es la densidad relativa, ρ es la densidad de la sustancia, y ρo es la
densidad de referencia o absoluta.
Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del
agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas
condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es
decir, 1 kg/L.
Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión
de 1 atm y la temperatura de 0 °C.
34. Gravedad específica
Es la razón del peso específico de una
sustancia al peso específico del agua a
4 C.
35. Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades
(SI):
• kilogramo por metro cúbico (kg/m³).
• gramo por centímetro cúbico (g/cm³).
• kilogramo por litro (kg/L) o kilogramo por decímetro cúbico. El agua tiene una
densidad próxima a 1 kg/L (1000 g/dm³ = 1 g/cm³ = 1 g/mL).
• gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm³).
• Para los gases suele usarse el gramo por decímetro cúbico (g/dm³) o gramo por litro
(g/L), con la finalidad de simplificar con la constante universal de los gases ideales:
36. Aire 1,29 Aluminio 2 700
Helio 0,18 Cobre 8 920
Hidrógeno 0,09 Hierro 7 860
Agua dulce 1 000 Plomo 11 300
Hielo 917 Oro 19 300
Agua salada 1 030 Mercurio 13 600
Alcohol 806 Madera 373
Densidades de algunas substancias (kg/m3)
37. Masa (m)
Es la medida de la cantidad de fluido
M=F/a
PESO (W)
La Fuerza con la que un fluido es atraído hacia la
tierra por la acción de la gravedad.
W=m*g donde g=9.81 m/S2
g=32.2 pie/S2
38. Peso específico
Los ingenieros que no han adoptado todavía el SI emplean frecuentemente
el peso específico (densidad de peso), definida como el peso de la unidad de
volumen de una sustancia, operacionalmente
γ = peso/volumen =W/V (kgf /m3 ) o N/m3 es igual densidad * gravedad
40. Relación entre peso específico y densidad.
Teniendo en cuenta que el peso es igual a W = m.g, en base a las ecuaciones
anteriores se puede ver que la densidad y el peso especifico están
relacionados del siguiente modo:
γ = W/V = m.g/V = ρ.g
41. Volumen especifico
Es el volumen por unidad de masa de una sustancia o de un fluido. Se
emplea con mayor frecuencia en termodinámica.
U = volumen / masa = 1/ρ
42. TEMPERATURA
• Es el índice de calor o frío de un sistema. De acuerdo con las
sensaciones fisiológicas, el nivel de temperatura se expresa en un
sentido cualitativo con palabras como: congelado, frío, tibio,
caliente y ardiente.
• Las escalas de temperatura se basan en el punto de
congelamiento y ebullición del agua a una presión atmosférica de
101.3 kPa.
43. CERO ABSOLUTO. Es la temperatura a la cual las moléculas de un cuerpo tienen a
cesar su movimiento, es decir en estado de energía cinética molecular es mínimo,
pero no es igual a cero.
Escalas absolutas : Kelvin y Rankine
Escalas relativas: Celsius y Fahrenheit
La formula que expresa la relación entre las lecturas indicadas por las distintas
escalas, para una misma temperatura, es:
9
492
º
9
32
º
5
273
5
º −
=
−
=
−
=
R
F
k
C
ºC K ºF ºR
Punto de vaporización del
agua
100º 373 212º 672º
Punto de Congelamiento 0º 273 32º 492º
Cero absoluto -273º 0 -460º 0
44. Cambios de densidad
• En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura.
• Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material estable también aumenta.
• Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión
permanece constante).
• El efecto de la temperatura y la presión en los sólidos y líquidos es muy pequeño, por lo que
típicamente la compresibilidad de un líquido o sólido es de 10–6 bar–1 (1 bar=0,1 MPa) y el
coeficiente de dilatación térmica es de 10–5 K–1.
• Por otro lado, la densidad de los gases es fuertemente afectada por la presión y la
temperatura. La ley de los gases ideales describe matemáticamente la relación entre estas
tres magnitudes:
•
• donde R es la constante universal de los gases ideales,, p es la presión del gas, M su masa
molar y T la temperatura absoluta.
• Eso significa que un gas ideal a 300 K (27 °C) y 1 atm duplicará su densidad si se aumenta la
presión a 2 atm manteniendo la temperatura constante o, alternativamente, se reduce su
temperatura a 150 K manteniendo la presión constante.
