Física II

Hidrodinámica

Es la parte de la hidraulica que estudia el comportamiento de los liquidos en movimiento. Para ello considera entre otras cosas la velocidad, la presion, el flujo y el gasto del liquido.

La hidrodinámica es la parte de la física que estudia el movimiento de los fluidos. Este movimiento está definido por un campo vectorial de velocidades correspondientes a las partículas del fluido y de un campo escalar de presiones, correspondientes a los distintos puntos del mismo. Existen diversos tipos de fluidos:

·         Flujo de fluidos a régimen permanente o intermitente: aquí se tiene en cuenta la velocidad de las partículas del fluido, ya sea esta cte. o no con respecto al tiempo.

·         Flujo de fluidos compresible o incompresible: se tiene en cuenta a la densidad, de forma que los gases son fácilmente compresibles, al contrario que los líquidos cuya densidad es prácticamente cte. en el tiempo.

·         Flujo de fluidos viscoso o no viscoso: el viscoso es aquel que no fluye con facilidad teniendo una gran viscosidad. En este caso se disipa energía.

·         Viscosidad cero significa que el fluido fluye con total facilidad sin que haya disipación de energía. Los fluidos no viscosos incompresibles se denominan fluidos ideales.

·         Flujo de fluidos rotaciones o irrotacional: es rotaciones cuando la partícula o parte del fluido presenta movimientos de rotación y traslación. Irrotacional es cuando el fluido no cumple las características anteriores.

Para su estudio se consideran tres aproximaciones importantes

1. Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión a diferencia de lo que ocurre con los gases.

2. Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.

3. Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estableo estacionario, es decir que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.

Flujo

Es la cantidad de masa de un líquido que fluye a través de una tubería en un segundo. También se define como la densidad de un cuerpo, es la relación que existe entre la masa y el volumen.

El flujo se define como: F=M/T

Sus unidades de medida son:  kg/seg

El flujo se puede clasificar en:

Flujo turbulento: En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.

Flujo laminar: Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas mas o menos paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas.

Gasto o caudal

Para la física la palabra caudal ( Q ) significa la cantidad de líquido que pasa en un cierto tiempo. Se mide con unidades de volumen divididas entre unidades de tiempo. Por lo tanto:

Q=V/t

Generalmente se usan m3/seg o litro/seg.

Ecuación de continuidad

La ecuación de continuidad nos dice que el área y la velocidad son proporcionales e iguales en ambos lados del ducto por donde pasa el fluido.

Tomemos un tubo imaginario de sección variable formado por un racimo de lineas de corriente del interior de un fluido en movimiento como se muestra en la figura 1.

En un intervalo pequeño de tiempo Δt, el fluido que entra por el fondo del tubo imaginario recorre una distancia Δx1 = v1 Δt siendo v1 la velocidad del fluido en esa zona. Si A1 es el área de la sección transversal de esta región, entonces la masa de fluido contenida en la parte azul del fondo es ΔM1 = ρ1A1 Δx1 = ρ1A1v1Δt, donde ρ es la densidad del fluido. De la misma forma el flujo que sale por el extremo superior del tubo imaginario en el mismo tiempo Δt tiene la masa ΔM2 = ρ2A2v2Δt. Como la masa debe conservarse y debido también a que el flujo es laminar, la masa que fluye a través del fondo del tubo en la sección A1, en el tiempo Δt, será igual a la que fluye en el mismo tiempo a través de A2. Por lo tanto ΔM1 = ΔM2, o:

ρ1A1v1Δt = ρ2A2v2Δt    (ecuación 1)

Si dividimos por Δt tenemos que:

ρ1A1v1 = ρ2A2v2   (ecuación 2)

La ecuación 2 se conoce como ecuación de continuidad.

Como hemos considerado que el fluido es incompresible entonces ρ1 = ρ2 y la ecuación de continuidad se reduce a:

 A1v1 = A2v2

La ecuación de continuidad parte de las bases ideales siguientes:

1. El fluido es incompresible.
2. La temperatura del fluido no cambia.
3. El flujo es continuo, es decir su velocidad y presión no dependen del tiempo.
4. El flujo es laminar. No turbulento.
5. No existe rotación dentro de la masa del fluido, es un flujo irrotacional.
6. No existen pérdidas por rozamiento en el fluido, es decir no hay viscosidad.