La moderna mecánica de fluidos nace con Ludwing Prandtl, quien en
1904 elaboró la síntesis entre la hidráulica práctica y la hidrodinámica
teórica al introducir la teoría de capa límite.
Varios matemáticos geniales
del siglo XVIII; Bernouillí, Clairaut, D'Alembert, Lagrange y Euler habían
elaborado, con la ayuda del cálculo diferencial e integral, una síntesis
hidrodinámica perfecta; pero no habían obtenido resultados prácticos ni explicado
ciertos fenómenos observados en la realidad. Por otro lado, los técnicos
hidráulicos habían desarrollado multitud de fórmulas empíricas y experimentos
para la solución de los problemas que las construcciones hidráulicas
presentaban, sin preocuparse de buscarles base teórica alguna. El aporte de
Prandtl fue justamente lograr que ambas tendencias se unifiquen para marcar el
inicio de una nueva ciencia con base teórica y respaldo experimental. El cuadro
presentado es una síntesis apretada de los científicos y técnicos que
contribuyeron al desarrollo de la mecánica de fluidos.
Conceptos.
Mecánica de Fluidos e Ingeniería Mecánica de Fluidos (IMF) son términos que a veces se usan indistintamente, habiendo ciertamente diferencias entre ellos. Ciencia se define como una doctrina metódicamente formada y ordenada con un conocimiento cierto de las cosas por sus principios y causas; mientras que ingeniería es el conjunto de conocimientos y técnicas que aplican el saber científico a la solución de problemas específicos de la realidad.
La mecánica de fluidos es parte de la física y como tal, es una ciencia especializada en el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento. Pero, ¿Qué es un fluido?, un fluido se define como una sustancia que cambia su forma con relativa facilidad, los fluidos incluyen tanto a los líquidos, que cambian de forma pero no de volumen, como a los gases, los cuales cambian fácilmente de forma y de volumen. Existe otra definición más elaborada que define a un fluido como una sustancia capaz de fluir; entiéndase la fluidez como la propiedad de deformarse continuamente bajo la acción de una fuerza tangente al piano de aplicación por pequeña que sea. La mecánica de fluidos forma parte de la currícula de la mayoría de ingenierías porque nos proporciona los fundamentos y herramientas necesarios para diseñar y evaluar equipos y procesos en campos tecnológicos tan diversos como el transporte de fluidos, generación de energía, control ambiental, vehículos de transporte, estructuras hidráulicas, etc. Tales fundamentos se refieren a la naturaleza de los fluidos y de las propiedades que los describen; las leyes físicas que gobiernan su comportamiento; la expresión matemática de estas leyes y las diversas metodologías que pueden emplearse en la solución de los problemas.
Mecánica de Fluidos e Ingeniería Mecánica de Fluidos (IMF) son términos que a veces se usan indistintamente, habiendo ciertamente diferencias entre ellos. Ciencia se define como una doctrina metódicamente formada y ordenada con un conocimiento cierto de las cosas por sus principios y causas; mientras que ingeniería es el conjunto de conocimientos y técnicas que aplican el saber científico a la solución de problemas específicos de la realidad.
La mecánica de fluidos es parte de la física y como tal, es una ciencia especializada en el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento. Pero, ¿Qué es un fluido?, un fluido se define como una sustancia que cambia su forma con relativa facilidad, los fluidos incluyen tanto a los líquidos, que cambian de forma pero no de volumen, como a los gases, los cuales cambian fácilmente de forma y de volumen. Existe otra definición más elaborada que define a un fluido como una sustancia capaz de fluir; entiéndase la fluidez como la propiedad de deformarse continuamente bajo la acción de una fuerza tangente al piano de aplicación por pequeña que sea. La mecánica de fluidos forma parte de la currícula de la mayoría de ingenierías porque nos proporciona los fundamentos y herramientas necesarios para diseñar y evaluar equipos y procesos en campos tecnológicos tan diversos como el transporte de fluidos, generación de energía, control ambiental, vehículos de transporte, estructuras hidráulicas, etc. Tales fundamentos se refieren a la naturaleza de los fluidos y de las propiedades que los describen; las leyes físicas que gobiernan su comportamiento; la expresión matemática de estas leyes y las diversas metodologías que pueden emplearse en la solución de los problemas.
La
mecánica de fluidos clásica se divide principalmente en estática de fluidos y
dinámica de fluidos:
La
estática de fluidos: Se ocupa del estudio de las
leyes y condiciones que rigen el equilibrio de los fluidos en reposo teniendo
en cuenta la acción de las fuerzas a que se hallan sometidos.
En tanto que, la dinámica de fluidos estudia las leyes del
movimiento de los fluidos, las fuerzas que intervienen en tal movimiento y su
interacción con los cuerpos sólidos. Dada la complejidad de la materia en
estudio, la dinámica de fluidos se subdivide por las características físicas
del fluido o el tipo de método empleado para resolver el problema.
El flujo viscoso es el
estudio del flujo real, ya que al tener en consideración la viscosidad del
fluido se producen las fuerzas viscosas. El flujo turbulento se caracteriza
porque las partículas de fluido tienen un movimiento tridimensional al azar que
se suma al movimiento principal, produciéndose de esta forma las fluctuaciones
de velocidad. En un flujo incompresible, las variaciones de densidad no se
toman en cuenta para el cálculo del campo de flujo. Los flujos de líquidos y de
algunos gases a baja velocidad caen dentro de esta categoría. La dinámica de
fluidos computacional utiliza los métodos numéricos para solucionar las
ecuaciones diferenciales que gobiernan el flujo de fluidos, ya que en forma
analítica son imposibles de solucionar debido a su complejidad. En nuestro
planeta existen dos fluidos importantísimos para la vida; el agua y el aire.
Por esto, la mecánica de fluidos o fluido-mecánica se puede dividir en la
hidromecánica, si el fluido en estudio es el agua, o en la aero-mecánica si se
trabaja con el aire.
La
hidrostática es el estudio del agua y de otros fluidos incompresibles en
condiciones estáticas, mientras que la hidrodinámica se ocupa del agua y de
otros fluidos incompresibles en movimiento. La aerostática estudia las
condiciones de equilibrio de los cuerpos inmersos en el aire en condiciones estáticas
y la aerodinámica trata de las fuerzas producidas por los flujos de aire sobre
los cuerpos o estructuras inmersos en éste y el diseño de vehículos terrestres
y aéreos.
La gaso-dinámica
también conocida como dinámica de gases, es el estudio general de los flujos
compresible subsónico e hipersónico con o sin procesos de transferencia de
calor.
Padres de la mecánica
de fluidos.
NOMBRE APORTE
Arquímides (287-221 a.C)) Leyes de la flotación.
Leonardo da Vinci (1542-1519 Ecuación de continuidad. Bocetos de máquinas hidráulicas y
voladoras.
Galileo Galilei Fundamentos
de hidrostática
Torricelli (1608-1647) Salida por un
orificio. Medición de presión atmosférica.
Pascal (1623-1662) Ley de Pascal.
Newton (1642-1726) Ley de viscosidad dinámica.
Bernoulli (1700-1782) Teorema de
Bernoulli.
Euler (1707-1783) Ecuaciones diferenciales de
movimiento del flujo ideal.
D'Alembert (1717-1783 Ecuación diferencial de continuidad.
Chézy (1718-1798) Circulación de agua en canales y
tuberías.
Darcy Movimiento a presión en tuberías
Lagrange (1736-1813) Función potencial y función de
corriente
Venturi (1746-1822) Salida de líquidos por agujeros y boquillas.
Poiseuille (1799-1869) Ecuación de resistencia en capilares.
Weisbach (1806-1871) Fórmula de resistencia para tuberías.
Navier (1785-1836) y Ecuaciones diferenciales de movimiento de
fuidos viscosos.
Stokes (1819-1903) Ecuaciones diferenciales de movimiento de
fuidos viscosos.
Reynolds (1842-1912) Regímenes de flujo laminar y turbulento. Nro
de Reynolds.
Prandtl (1868-1945) Teoría de la capa límite.
Blasius Solución para capa límite laminar.
Von Karman Solución
para capa límite turbulenta.
Este
texto fue tomado de: Por: Víctor A. Yzocupe. Jefe Lab. de Fluido dinámica-DAIMF-UNMSM