Conceptos Clave de Mecánica de Fluidos: Fórmulas y Aplicaciones

Definiciones Fundamentales

• Función Potencial: Si el rotacional del gradiente de una función escalar (cualquier vector) es cero, dicho vector puede expresarse como el gradiente de una función escalar Φ llamada función potencial.
• Efecto Magnus: Es el efecto de generar sustentación mediante rotación de un cuerpo sólido.
• Tubo de Pitot: Dispositivo utilizado para medir la velocidad de un fluido.
• Longitud Equivalente: Longitud ficticia que representa la resistencia al flujo causada por codos, válvulas y otros accesorios (h_L).
• Influencia del Número de Reynolds (Re) en el Coeficiente de Arrastre (Cd) para un Cilindro o una Esfera: El Cd disminuye conforme el Re aumenta hasta alcanzar una región donde se estabiliza. Al alcanzar un cierto Re crítico, ocurre una crisis de arrastre donde el Cd cae bruscamente debido a cambios en la capa límite, y luego puede aumentar a medida que el flujo se vuelve completamente turbulento.
• Aceleración Convectiva: Se presenta en los cambios de geometría, es una variación respecto a la posición (estrechamiento y/o ensanchamiento).
• Aceleración Local: Término de la derivada con respecto al tiempo.
• Factores que influyen en el Golpe de Ariete: Longitud, diámetro, espesor y material de la tubería.
• Presión Mínima de Instalación a Nivel del Mar: 1,013 bar.
• Equivalencia de 1 MCA en Pascales: 9,81 kPa.
• Presión Absoluta: Presión total medida desde el vacío absoluto (>0).
• Presión Relativa (Manométrica): Presión medida con respecto a la presión atmosférica.
• Peso Específico: Peso por unidad de volumen de una sustancia (N/m³).
• Densidad: Masa por unidad de volumen de una sustancia (kg/m³).
• Presión de Vapor: Presión a la cual un líquido se encuentra en equilibrio con su vapor.
• Cavitación: Ocurre cuando la presión en un líquido cae por debajo de su presión de vapor, formando burbujas de vapor.
• Capilaridad: Capacidad de un líquido de subir o bajar en un tubo estrecho debido a las fuerzas de adhesión y cohesión. La altura a la que sube el líquido se describe por la fórmula de Jurin.
• Flujo Permanente: Variación nula en el tiempo de presión y velocidad en un punto por donde circula un fluido.
• Flujo Laminar: Fluido se mueve en capas paralelas o cilíndricas.
• Flujo Turbulento: El fluido se mueve de forma caótica.
• Venturi: Dispositivo diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi.
• Presión Mínima Relativa de una Instalación: Relativa a la atmosférica, es 0 cuando P_abs=P_atm, cuando sea menor, este valor será negativo. La presión relativa del vacío es -1,013 bar, que es la mínima posible.
• Tubería Lisa: El espesor de la capa es suficientemente grande como para cubrir las asperezas y que no tengan influencia en el flujo.
• Coeficiente de Arrastre (Cd) para Cilindros y Esferas (10⁵ ≤ Re ≤ 10⁶): El Cd cae bruscamente debido a que el flujo en la capa límite se vuelve turbulento y mueve el punto más alto de su parte superior, reduciendo su estela y, por tanto, el arrastre debido a su presión.

Instrumentos y Principios Físicos

• Instrumento para Medir la Densidad de un Líquido: Hidrómetro.
• Viscosidad de un Líquido: Resistencia que ofrece un líquido a deformarse o a fluir.
• Ley de Pascal: La presión aplicada a un fluido confinado se transmite sin cambios a través de todo el fluido.
• Principio de Arquímedes: El peso de un objeto sumergido en un fluido es igual al peso del fluido desplazado por el objeto.
• Principio de Continuidad: El flujo de un fluido a través de un área constante es constante.
• Ecuación de Continuidad: Establece que la masa del fluido que entra en un área es igual a la masa del fluido que sale de esa área.
• Fluido Ideal: Un fluido que cumple tanto las leyes de la hidrostática como las de hidrodinámica.
• Fluido Incompresible: Un fluido que no se puede comprimir.
• Fluido Compresible: Un fluido que puede experimentar cambios en su densidad debido a cambios en la presión.
• Unidad de Medida de la Presión: N/m².
• Manómetro: Un instrumento para medir la presión de un fluido.
• Principio de Torricelli: La velocidad de un fluido en un punto es proporcional a la raíz cuadrada de la altura del fluido por encima del punto. La velocidad de un fluido en un orificio es igual a la velocidad que tendría un objeto que cayera libremente desde la superficie libre del fluido hasta el centro del orificio.
• Coeficiente de Descarga de un Orificio: La relación entre el caudal de fluido que sale del orificio y el caudal de fluido que entra al recipiente que lo contiene. Cociente entre el caudal real y el caudal teórico que debe pasar por un orificio.
• Fuerza de Empuje: La fuerza ejercida por un fluido en reposo sobre un objeto sumergido en el mismo.
• Sifón: Un tubo en forma de U que permite transferir un fluido de un recipiente a otro.
• Principio de Bernoulli: La velocidad de un fluido está inversamente relacionada con su presión.
• Presión Absoluta: La presión medida con respecto a la presión atmosférica estándar al nivel del mar.
• Ecuación Fundamental de la Hidrostática: P + ρgh = constante.
• Presión de Vapor de un Líquido: La presión a la cual un líquido cambia de estado a gas.
• Densidad Relativa de un Líquido: La relación entre la masa de un líquido y la masa de un volumen igual de agua.
• Funcionamiento del Tubo de Venturi: El fluido se acelera en la sección más estrecha del tubo, disminuyendo su presión y produciendo una diferencia de presión entre la sección estrecha y las secciones más anchas.
• Cinemática de Fluidos: El estudio de las propiedades físicas de los fluidos en movimiento sin considerar las fuerzas que los causan.
• Dinámica de Fluidos: Estudio de las fuerzas que actúan sobre los fluidos en movimiento.

Ecuaciones y Leyes

• Ecuación de Continuidad: Ley de conservación de la masa.
• Ecuación de Bernoulli: Ley de conservación de la energía.
• Ecuación de Bernoulli (Conservación de Energía): Establece que la energía total del fluido se conserva a lo largo de su trayectoria.
• Principio de Funcionamiento de un Aeroplano: Se basa en la ley de Bernoulli.
• Fuerza de Arrastre de un Fluido: La fuerza que se opone al movimiento de un objeto en el fluido.
• Ley de Stokes: Una ley que describe la fuerza de arrastre experimentada por un objeto esférico en un fluido viscoso.
• Ecuación de Bernoulli para el Flujo de un Fluido Incompresible: P₁ + ρV₁²/2 + ρgh₁ = P₂ + ρV₂²/2 + ρgh₂.
• Flujo Representado por el Número de Reynolds Inferior a 2000: Flujo laminar.
• Flujo Representado por el Número de Reynolds Superior a 4000: Flujo turbulento.
• Flujo Presente en el Número de Reynolds entre 2000 y 4000: Flujo transitorio.
• Ley de Poiseuille: El flujo volumétrico de un líquido que fluye a través de un tubo es proporcional a la cuarta potencia del radio del tubo.
• Ecuación de Continuidad para un Flujo Incompresible en Régimen Permanente: ∇·(ρV) = 0.
• Ecuación de Navier-Stokes en su Forma Simplificada para un Flujo Incompresible: ρ(∂V/∂t + V·∇V) = -∇P + μ∇²V.
• Capa Límite: Zona adyacente a la superficie donde las fuerzas viscosas son importantes.
• Ecuación de Darcy-Weisbach: Ecuación que relaciona la pérdida de carga con la velocidad del flujo en una tubería.
• Ecuación de Darcy-Weisbach Utilizada para Calcular la Pérdida de Carga en una Tubería: h = f(L/D)(V²/2g).
• Altura de las Irregularidades de la Superficie Interior de la Tubería Dividido por el Diámetro Hidráulico: Q.
• Carga Dinámica en un Canal: Energía por unidad de peso de fluido que se mantiene constante a lo largo de una línea de corriente.
• Ecuación de Manning Utilizada para Calcular la Velocidad del Flujo en un Canal: V = (1/n)R^(2/3)S^(1/2).
• Número de Froude en el Flujo de Agua: Número adimensional que describe la relación entre la velocidad del fluido y la profundidad de agua en un canal.
• Golpe de Ariete en una Tubería: Aumento temporal de la presión debido a la apertura o cierre rápido de una válvula.
• Coeficiente de Golpe de Ariete: Cociente entre la presión máxima y la presión mínima en una tubería.
• Causa de la Cavitación en una Bomba Centrífuga: La presencia de burbujas de vapor en el líquido.
• Efecto de la Cavitación en una Bomba Centrífuga: Disminución de la eficiencia de la bomba y daño en las partes internas.
• Válvula de Pie: Una válvula que permite la entrada del líquido desde una fuente externa.
• Factor de Celeridad en el Análisis del Golpe de Ariete: La relación entre la velocidad de la onda y la velocidad del fluido.
• Índice de Sobrepresión: Relación entre la presión máxima y la presión de operación.