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FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA
CURSO FÍSICA II 2012CLASE VIII
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTENORDESTE
MECÁNICA DE FLUIDOS
PROPIEDADES DE FLUIDOS
ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS
CINÉMATICA DE LOS FLUIDOS
DINÁMICA DE LOS FLUIDOS
INTRODUCCIÓN
Concepto de Mecánica de Fluidos
Concepto de Fluido
Dimensiones y Sistema de Unidades
Diagrama Reológico
Concepto de Mecánica de Fluidos
La Mecánica de los Fluidos es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.
Diferencia con la Termodinámica?Diferencia con la Termodinámica?
Concepto de Fluido“Un fluido se define como una sustancia que se deforma de manera continua cuando actúa sobre ella un esfuerzo cortante de cualquier magnitud”.
Una sustancia en la fase líquida o en la gaseosa se conoce como fluido.El agua, aceite y aire fluyen cuando sobre ellos actúa un esfuerzo cortante.
CONCEPTO DE FLUIDO
AF=τ
Si la fuerza F hace que la placa superior se mueva Si la fuerza F hace que la placa superior se mueva con una velocidad permanente (diferente de con una velocidad permanente (diferente de cero) sin importar que tan pequeña sea la cero) sin importar que tan pequeña sea la magnitud F, la sustancia entre las dos placas es magnitud F, la sustancia entre las dos placas es un “fluido”.un “fluido”.
CONCEPTO DE FLUIDO
El fluido en contacto inmediato con una frontera sólida tiene la misma velocidad que la frontera; es decir , no existe deslizamiento en la frontera. Esta es una observación experimental que ha sido verificada.
Los experimentos muestran que, siendo constantes otras cantidades, F es directamente proporcional a “A” y “ω” e inversamente proporcional al espesor dy.
donde µ es el factor de proporcionalidad e incluye el efecto del fluido en particular.
dyAF ωµ=
CONCEPTO DE FLUIDO
Si para el esfuerzo cortante,AF=τ t
ωµ=τ
La relación La relación w/tw/t es la velocidad angular de la línea es la velocidad angular de la línea abab, o es la , o es la rapidez de deformación angular del fluido, es decir, la rapidez rapidez de deformación angular del fluido, es decir, la rapidez de decremento del ángulo de decremento del ángulo badbad. .
La velocidad angular también se puede escribir dw/dy, ya que La velocidad angular también se puede escribir dw/dy, ya que tanto wtanto w/t/t como como dw/dydw/dy expresan el cambio de velocidad expresan el cambio de velocidad dividido por la distancia sobre la cual ocurre. Sin embargo,dividido por la distancia sobre la cual ocurre. Sin embargo, dw/dydw/dy es mas general, ya que es válida para situaciones en es mas general, ya que es válida para situaciones en las que la velocidad angular y el esfuerzo cortante cambian las que la velocidad angular y el esfuerzo cortante cambian con y. con y.
((dw/dydw/dy: rapidez con la que una capa se mueve con relación : rapidez con la que una capa se mueve con relación con una capa adyacente).con una capa adyacente).
CONCEPTO DE FLUIDO
En forma diferencial, la ecuación
es la relación entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación angular para el flujo unidimensional de un fluido. El factor de proporcionalidad µ se denomina viscosidad del fluido, y esta ecuación es la ley de viscosidad de Newton
dydωµ=τ
00dyd
dyd =τ⇒=ω⇒ωµ=τ
CONCEPTO DE FLUIDO
DIMENSIONES Y UNIDADES
Todo problema relacionado con el movimiento de los fluidos puede ser definido en términos de:
longitud (L), tiempo (T) y fuerza (F), olongitud, tiempo y masa (M).
La equivalencia entre ambos sistemas viene establecida por la ecuación de Newton.
Se dice que un sistema de unidades mecánicas es consistente cuando una fuerza unitaria hace que una masa unitaria experimente una aceleración unitaria.
DIMENSIONES Y UNIDADES
Es conveniente utilizar en ingeniería el Sistema Internacional (SI):
Fuerza → newton (N)Longitud → metro (m)Tiempo → segundo (seg)Masa → kilogramo (kg)Temperatura → K
Presión → pascal (Pa) N/m2
DIAGRAMA REOLÓGICO
Los fluidos se clasifican en:
● newtonianos (p. ej. gases o líquidos más comunes)
● no newtonianos (p. ej. hidrocarburos espesos y de cadenas largas).
En un fluido newtoniano existe una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la tasa de deformación resultante.
En un fluido no newtoniano existe una relación no lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la tasa de deformación angular.
DIAGRAMA REOLÓGICO
Diagrama ReológicoDiagrama Reológico
ττEsfuerzo CortanteEsfuerzo Cortante
du/d
ydu
/dy
Superficie tixotrópica
Superficie tixotrópica
Plástic
o idea
l
Plástic
o idea
l
Fluid
o New
tonian
o
Fluid
o New
tonian
o
Fluid
o no N
ewto
niano
Fluid
o no N
ewto
niano
Flu
ido
idea
lFl
uid
o id
eal
Tasa
de
defo
rmac
ión
Tasa
de
defo
rmac
ión
Esfuerzo de fluenciaEsfuerzo de fluencia
Los gases y los líquidos mas comunes tienden a ser fluidos newtonianos, mientras que los hidrocarburos espesos y de cadenas largas pueden ser no newtonianos.Si se considera un fluido no viscoso (por consecuencia el esfuerzo cortante es cero) e incompresible, entonces éste se conoce como un fluido ideal y se representa gráficamente como la ordenada de la figura 2.
DIAGRAMA REOLÓGICO
Un plástico ideal tiene un esfuerzo de fluencia definido y una relación lineal constante de τ a du/dy.
Una sustancia tixotrópica (tinta de impresora), tiene una viscosidad que depende de la deformación angular inmediatamente anterior a la sustancia y tiene una tendencia a solidificarse cuando se encuentra en reposo.
DIAGRAMA REOLÓGICO
PROPIEDADES
PRESIÓN
TENSIÓN SUPERFICIAL
ADHERENCIA
CAPILARIDAD
VISCOSIDAD
CONCEPTO DE PRESIÓNCONCEPTO DE PRESIÓN
dV.dm ρ=
dV..gdm.gdG ρ==
Condición Condición
Distribución de presiones en el interior de un Distribución de presiones en el interior de un fluido en reposo: fluido en reposo:
0F =∑
0dV.g.A).dPP(A.P =ρ−+−
0dV.g.)AdPA.P(A.P =ρ−+−
dV.g.AdP ρ=−
g.dydP ρ−=
Ady.g.AdP ρ=−
1 D 1 D
0g.dydP =ρ+ Si Si ρρ y g son ctes (y)=Po+→ y g son ctes (y)=Po+→ ρρ.g(h – y ) .g(h – y )
3 D 3 D
0g.P =ρ+∇ CVP =∇ρ+∇→
APLICACION APLICACION
Sobre dy P(y)=→Sobre dy P(y)=→ ρρ.g(h – y ) .g(h – y )
Sobre dA=mdy dF= P(y) dA= →Sobre dA=mdy dF= P(y) dA= → ρρ.g(h – y ) m dy .g(h – y ) m dy
La fuerza total F, integrando entre 0 y h será F = ½ La fuerza total F, integrando entre 0 y h será F = ½ ρρgmhgmh22
PRINCIPIO DE ARQUIMIDES PRINCIPIO DE ARQUIMIDES
La fuerza de flotación que aparece sobre un sólido La fuerza de flotación que aparece sobre un sólido sumergido es igual al peso del fluido desalojado por el sumergido es igual al peso del fluido desalojado por el mismomismo
gVG SLL
ρ−=
gVG SSS
ρ−=
gVE SLS
ρ−=
Condición de flotación:Condición de flotación: 0FSi SL >⇒ρ>ρ→ ∑
( ) g.V.F SSL
ρ−ρ=∑
PRÓXIMA CONTINUACIÓN MECÁNICA DE LOS FLUIDOS
PARTE 2