La
mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos que estudia
el movimiento de los fluidos así como las fuerzas que los provocan. La
característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para
resistir esfuerzos cortantes. La mecánica de fluidos se asume que los fluidos
verifican las siguientes leyes:
Conservación
de la masa y de la cantidad de movimiento
Primera
y segunda ley de la termodinámica.
La
mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos, que de igual
forma pertenece a la física, estudia el movimiento de los fluidos ya sea gases
o líquidos, así como las fuerzas que los provocan.
La
mecánica de fluidos podría aparecer solamente como un nombre nuevo para una
ciencia antigua en origen y realizaciones, pero es más que eso, corresponde a
un enfoque especial para estudiar el comportamiento de los líquidos y los
gases.
Los
principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a
través de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos
científicos como Da Vinci, Galileo Galilei, Torricelli, Pascal, Bernoulli,
Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes
aportes teóricos a lo que se denomina hidrodinámica. También en el campo de
hidráulica experimental hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura,
Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente durante el
siglo XIX.
Hacia
finales del siglo XIX la hidrodinámica y la hidráulica experimental presentaban
una cierta rivalidad. Por una parte, la hidrodinámica clásica aplicaba con
rigurosidad principios matemáticos para modelar el comportamiento de los
fluidos, para lo cual debía recurrir a simplificar las propiedades de estos.
Así se hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran
siempre aplicables a casos reales. Por otra parte, la hidráulica experimental
acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar
importancia a al formulación de una teoría rigurosa.
La
Mecánica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo
para unir estas dos tendencias: experimental y científica. Generalmente se
reconoce como fundador de la mecánica de fluidos modela al alemán Ludwig
Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente joven a la cual aun hoy
se están haciendo importantes contribuciones.
La
referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la
mecánica de fluidos como un estudio científico datan según sus investigaciones
de la antigua Grecia en el año 420 a.C. hechos por Tales de Mileto y
Anaximenes; que después continuarían los romanos y se siguiera continuando el
estudio hasta el siglo XVII.
Este
concepto está muy ligado al del medio continúo y es sumamente importante en la
mecánica de fluidos. Se llama partícula fluida a la masa elemental de fluido
que en un instante determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa
elemental ha de ser lo suficientemente grande como para contener un gran número
de moléculas, y lo suficientemente pequeña como para poder considerar que en su
interior no hay variaciones de las propiedades macroscópicas del fluido, de
modo que en cada partícula fluida podamos asignar un valor a estas propiedades.
Es importante tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la velocidad
macroscópica del fluido, de modo que está siempre formada por las mismas
moléculas. Así pues un determinado punto del espacio en distintos instantes de
tiempo estará ocupado por distintas partículas fluidas.
La
Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos
esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de
bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes tras
resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general la
ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas
moviéndose a velocidades bajas. La ley de Stokes puede escribirse como: donde R
es el radio de la esfera, v su velocidad y η la viscosidad del fluido.
La
condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede
traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a un
cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio
es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al
deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa límite
adherida al cuerpo.
La
ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y
condiciones. Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso
debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación
igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el
fluido.
El
principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés
Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: «el incremento de la
presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible contenido en un
recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las
partes del mismo». Es decir, que si se
aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, ésta se
transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de
fenómeno se puede apreciar, por ejemplo, en la prensa hidráulica o en el gato
hidráulico; ambos dispositivos se basan en este principio. La condición de que
el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión
no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los
puntos del líquido.
El
principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre
sumergido total o parcialmente (depositado) en un fluido será empujado en
dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del líquido
desplazado por el cuerpo sólido. El objeto no necesariamente ha de estar
completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es
mayor que el peso aparente del objeto, éste flotará y estará sumergido sólo
parcialmente.
La
sangre es un fluido que presenta gran cantidad de hematocritos, además de
proteínas que están disueltas en el plasma sanguíneo. Todas estas partículas
contenidas en la sangre influirán en su viscosidad que en valores normales a 37ºC
es 4×10-2 P (Poises) ó 4×10-3 Pl (Poiseuilles). A partir de esta relación
podemos observar que si la viscosidad es alta entonces la velocidad del flujo
disminuye. Pero esta ley no es estrictamente válida, ya que se aplica a flujos
laminares y fluidos newtonianos. En el caso de la sangre, los tipos de vasos
sanguíneos que presentan flujos laminares y newtonianos son los capilares y
venas. En las arterias no se aplica esta ley.
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