Mecánica de fluidos: historia, qué estudia, fundamentos
La mecánica de fluidos es la rama de la Mecánica dedicada a estudiar las propiedades y el comportamiento de los fluidos, ya sean líquidos o gases. Se basa en los principios de la Mecánica newtoniana de los sólidos: las leyes de Newton, la conservación de la energía y el momentum.
Tanto en ingeniería como en ciencias de la vida y el ambiente, los fluidos tienen un papel principal. El aire y el agua que nos rodean y que sustentan la vida son fluidos, así como sangre y otros líquidos en el cuerpo humano y en los animales.
Las corrientes de aire y las corrientes acuáticas son factores que determinan el clima y las características de los ecosistemas que albergan a los seres vivos. Las plantas, que son el sostén de la vida, aprovechan las cualidades de los fluidos para adaptarse y prosperar en distintos ambientes.
Por otra parte, conocer el comportamiento de los fluidos es imprescindible en el diseño las estructuras que dan forma a la civilización. De allí surge el diseño de tuberías, sistemas de riego, construcciones civiles, refrigeración, calefacción, automóviles, embarcaciones, aviones, artículos deportivos, y mucho más.
La Mecánica de los fluidos sigue actuando aún alejándose del entorno terrestre. En efecto el Sol, el centro del Sistema Solar, es una colosal masa de fluido gaseoso, cuya existencia depende del equilibrio entre la gravedad y la presión hidrostática.
Los campos magnéticos estelares y planetarios son consecuencia del movimiento de las cargas eléctricas y se modelan a través de la Dinámica de los fluidos. Hasta donde sabemos estos principios son válidos también para todas las estrellas, por lo tanto la Mecánica de fluidos es una disciplina de carácter universal.
Índice del artículo
- 1 Historia breve
- 2 ¿Qué estudia la Mecánica de fluidos?
- 3 Fundamentos de la Mecánica de fluidos
- 4 Aplicaciones de la Mecánica de fluidos
- 5 Referencias
Las antiguas civilizaciones que prosperaron en Oriente medio y Europa oriental tenían sólidos conocimientos acerca del comportamiento de los fluidos. Los mismos se pusieron de manifiesto en la construcción de canales de riego y embarcaciones.
En el siglo tercero antes de Cristo, el físico Arquímedes de Siracusa (287-212 a.C.) formuló los principios de la flotabilidad y la hidrostática, tan válidos entonces como ahora.
Es sabido que los antiguos romanos se hicieron notables por el manejo y transporte de las aguas para uso doméstico y agrícola. Construían baños y muchos de sus acueductos aún permanecen en pie.
Asimismo los árabes que invadieron la península ibérica trajeron consigo muchos de los conocimientos de los griegos que pusieron en práctica al construir sus edificaciones.
Pero la Edad Media transcurrió sin que al parecer hubiese avances en esta disciplina, hasta que Leonardo da Vinci (1452-1519) se dedicó a la experimentación y al estudio de la aerodinámica.
Blaise Pascal (1623-1662) fue un científico francés que incursionó en muchos campos del saber en su época y arrojó una nueva luz sobre la naturaleza de los fluidos al establecer, hacia 1648, el principio que lleva su nombre y crear la prensa hidráulica. Pocos años antes Evangelista Torricelli (1608-1647) fue el primero en medir la presión atmosférica.
Pero fue Isaac Newton (1642-1727) quien sentó las bases de los fenómenos asociados con los fluidos. No solamente al establecer las tres leyes de la Dinámica, aplicables a todos los objetos con masa.
Newton además estudió la viscosidad de los fluidos: de hecho hay una ley de Newton para la viscosidad que sigue vigente en la actualidad.
En 1738 el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782), aplicó la conservación de la energía a un fluido ideal y formuló la ecuación que lleva su nombre y describe el comportamiento de los fluidos en movimiento. Al mismo tiempo Claude Navier (1785-1836) y George Stokes (1819-1903) desarrollaron las ecuaciones fundamentales de la dinámica de fluidos viscosos.
Finalizando el siglo XIX, Osborne Reynolds (1842-1912) estudió la turbulencia, y estableció un criterio para distinguir los flujos laminares y turbulentos.
Surge también el análisis dimensional aplicado a los fluidos, con Ludwig Prandtl (1875–1953) y el número de Prandtl. La computación impulsó las simulaciones de flujos de fluidos mucho más complejos, frecuentes en la naturaleza pero difíciles de caracterizar con los modelos analíticos disponibles.
La Mecánica de fluidos estudia el comportamiento de los fluidos y se divide en tres grandes áreas:
- Estática de fluidos o estudio de los fluidos en reposo.
- Cinemática de fluidos: describe el movimiento de los fluidos.
- Dinámica de fluidos, que estudia el origen de dicho movimiento.
Estas disciplinas se aplican tanto a los gases como a los líquidos, aunque el estudio exclusivo de estos se denomina Hidráulica. La Hidrostática por su parte, se refiere al estudio de los líquidos en reposo, y la Hidrodinámica, cuando están en movimiento.
La Reología abarca el conocimiento relativo a las deformaciones y el flujo de materia. Aunque se la considera como parte de la Mecánica de los medios continuos, está estrechamente relacionada con los fluidos, ya que estos se caracterizan precisamente por su capacidad de fluir.
Otras ramas importantes son la Aerodinámica, que analiza el flujo de los gases como el aire, así como la Meteorología, la Oceanografía y la Hidrología.
Al observar los fluidos, se encuentra que están formados por átomos y moléculas, no tan ligados entre sí como los de un sólido. Es posible seguir la pista del movimiento de un objeto extendido aunque finito, pero ¿cómo hacer el seguimiento de las innumerables partículas en un gas o un líquido?
La respuesta está en estos conceptos clave: densidad y presión. En vez de trabajar con masas y pesos individuales, se trabaja con la densidad, que es la masa por unidad de volumen. Asociado con la densidad está el peso específico, que es el peso del fluido por unidad de volumen.
Y en lugar de la fuerza, los fluidos se caracterizan por la presión que ejercen sobre las superficies, que se define como fuerza por unidad de área.
Describe el rozamiento existente entre las capas del fluido, una característica que determina cómo será su movimiento.
El principio de Arquímedes es fundamental en la Hidrostática. Este afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, experimenta una fuerza de empuje vertical que equivale al peso del volumen de fluido desalojado.
Establece que la presión en un fluido incompresible dentro de un recipiente, se transmite de un punto a otro del mismo con la misma intensidad.
Equivale a la conservación de la energía mecánica aplicada a una porción de fluido ideal que circula por una tubería.
Es una cantidad adimensional usado para distinguir entre los flujos laminares y los turbulentos.
Es una cantidad adimensional que caracteriza la transferencia de calor mediante convección al flujo de un determinado fluido.
Al principio dimos una lista poco exhaustiva de las múltiples aplicaciones de la Mecánica de los fluidos. A continuación nombraremos brevemente algunas de las más relevantes:
Es una máquina que consiste en un tubo con dos secciones transversales diferentes, lleno de un fluido incompresible. Cuando se aplica una fuerza a un émbolo en la sección estrecha, esta se multiplica a la salida de un émbolo más grande en la sección ancha.
Son máquinas que aumentan la presión a la que vez desplazan ciertos fluidos compresibles, como los gases. De esta forma los obligan a fluir, mientras ganan energía que puede ser usada para hacer trabajo mecánico.
Máquinas que se valen de un fluido para hacer girar aspas o hélices, que de igual forma realizan trabajo mecánico.
Los sistemas climatizadores: calefacción y aire acondicionado, se basan en las propiedades de los fluidos para termalizar los ambientes.
- Cimbala, C. 2006. Mecánica de Fluidos, Fundamentos y Aplicaciones. Mc. Graw Hill.
- Franzini, J. 1997. Mecánica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniería. 9na. Edición. McGraw Hill.
- Mott, R. 2006. Mecánica de Fluidos. 4ta. Edición. Pearson Educación.
- Potter, M. Mecánica de Fluidos. 3ra. Edición. Thomson.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. McGraw Hill.