Mecánica de fluidos: Definición y aplicaciones

La mecánica es un área de estudio de la física orientada a explicar el movimiento de los cuerpos. Esta definición se toma en cuenta para definir a la mecánica de fluidos, que es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los fluidos. La mecánica de fluidos es de gran importancia para la ingeniería, ya que permite describir el movimiento de fluidos a través de tuberías, vitales para sistemas de bombeo y transporte de fluidos.

Para poder entender por completo el concepto de mecánica de fluidos, es importante conocer qué es un fluido:

Un fluido es un cuerpo que tiene la capacidad de fluir, careciendo de toda rigidez y elasticidad. Debido a estas características, cede inmediatamente ante cualquier fuerza que altere su forma, adoptando la forma del recipiente que lo contiene.

Un fluido puede ser líquido (fluido incompresible) o gas (fluido compresible), ya que estos estados de la materia se amoldan perfectamente a la definición anterior. Podemos resumir entonces que lo que define a un fluido es su comportamiento y no su composición.

Asimismo, podemos decir que un fluido es una sustancia que se deforma de manera continua cuando es sometida a un esfuerzo de corte o fuerza tangencial. Hay que tener en cuenta que un fluido en reposo no soporta ningún esfuerzo de corte. Existe otra clasificación más profunda de los fluidos, que es la siguiente:

• Fluido newtoniano: Fluido con viscosidad constante.
• Fluido no newtoniano: Fluido con viscosidad variable en función de la temperatura y la tensión cortante.

¿Qué es la mecánica de fluidos?

La mecánica de fluidos, como su nombre lo indica, es un área de la mecánica orientada a estudiar a los fluidos. Para lograr su objetivo, utiliza los principios de la mecánica clásica. La mecánica de fluidos se encuentra ligada directamente a la ingeniería, desde la ingeniería mecánica, hasta la hidráulica, pasando por la construcción.

El estudio de la mecánica de fluidos considera dos tipos de fluidos:

• Fluido en reposo: Son aquellos que ejercen una fuerza sobre las paredes de los recipientes que los contienen y sobre cualquier objeto que se encuentre sumergido en ellos. Esta fuerza es conocida como presión hidrostática.
• Fluido en movimiento: Son fluidos que no se encuentran estáticos, un ejemplo de ello son las corrientes de aire, el agua en un río o saliendo a través de una tubería. El estudio de líquidos en movimiento se conoce como hidrodinámica, mientras que el estudio de los gases en movimiento se conoce como aerodinámica.

Podemos definir a la mecánica de fluidos como:

La mecánica de fluidos es la rama de la física que se encarga de estudiar a los fluidos y las fuerzas que los provocan.

La mecánica de fluidos también estudia las interacciones entre el fluido y el entorno que lo limita. La mecánica de fluidos se encuentra basada en diversas leyes, entre las cuales podemos destacar a la primera y la segunda ley de la termodinámica, además de la ley de conservación de la masa y la cantidad de movimiento. El estudio de la mecánica de fluidos parte de hipótesis, las cuales permiten desarrollar conceptos.

Hipótesis del medio continuo

Es la base fundamental de toda la mecánica de fluidos y permite desarrollar todos los conceptos asociados a esta. Sostiene que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, lo que lleva a ignorar la estructura molecular del fluido y las discontinuidades asociadas a esta. Esta hipótesis considera que las propiedades del fluido son continuas (densidad, temperatura, etc).

Partícula fluida

Es uno de los conceptos de mayor relevancia en la mecánica de fluidos, encontrándose estrechamente relacionado con la hipótesis del medio continuo. Podemos definir a una partícula fluida como la masa elemental de un fluido que se encuentra en un punto del espacio en un instante de tiempo. Esta masa debe ser lo suficientemente grande para poder ser integrada por un gran número de moléculas, y lo suficientemente pequeña para considerar que no hay variaciones en las propiedades macroscópicas del fluido.

La partícula fluida se encuentra en movimiento con la misma velocidad macroscópica del fluido, ya que se encuentra conformada por las mismas moléculas. Cabe destacar, que un punto específico del espacio en diferentes instantes de tiempo, estará conformado por distintas partículas fluidas.

Descripciones del movimiento de los fluidos

Durante el estudio del movimiento del fluido, podemos encontrar un par de puntos de vista diferentes: Descripción Lagrangiana y descripción Euleriana.

Descripción Langragiana

Se basa en seguir a cada una de las partículas fluidas en su movimiento, de modo, que podamos encontrar las funciones que permitan describir la posición de dichas partículas, así como, las propiedades de cada partícula fluida en cada instante de tiempo del estudio.

Descripción Euleriana

Consiste en asignar a cada punto del espacio, en cada instante de tiempo de estudio, un valor único para las propiedades del fluido sin tomar en cuenta que la partícula fluida ocupa ese volumen diferencial. Como podemos notar, no se encuentra ligada a la partícula fluida, sino a los puntos espaciales ocupados por el fluido en un instante de tiempo. Esta descripción es la más utilizada para deducir y obtener las ecuaciones generales de la mecánica de fluidos.

La mecánica de fluidos tiene una gran importancia en la vida cotidiana, ya que su uso y conocimiento permite diseñar sistemas de tuberías, así como, la construcción de represas y estanques diseñados para contener grandes cantidades de agua (peso de fluido). Asimismo, ha permitido la creación de transporte motorizado, como vehículos aéreos, terrestres y marítimos.

Podemos decir entonces que gracias al estudio de la mecánica de fluidos se pueden realizar tareas de ingeniería que tienen que ver con el transporte de fluidos, siendo la mecánica de fluidos la base para el estudio de los fenómenos de transporte.

Aplicaciones de la mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos posee una gran cantidad de aplicaciones en diferentes áreas de la ciencia y de la ingeniería, como mecánica, química y civil. Entre las aplicaciones más destacadas, tenemos las siguientes:

• Acústica
• Aerodinámica
• Aeroelasticidad
• Hidrostática
• Hidrodinámica
• Máquinas hidráulicas
• Oleohidráulica
• Reología
• Tránsito vehicular

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Ing. Rafael Vega