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Contenido

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Prólogo a la edición esPañola xiv

( \PÍTULO 1lntroducción 3

1. Notas preliminares 3

:. Concepto de fluido 4

.¡. El f luido como medio continuo 5

l. Dimensiones y unidades 6

-i. Propiedacles del campo de velocidades 13

h. Propiedades termodinámicas de un fluido l-5-,

Viscosidacl y otras propiedades secundarias 22

J, Técnicas b¿isicas de análisis de los f luios 36

9. Descripcitin del flujo: líneas de corriente. sendas

v líneas de traza 31

L 1 | l. El resolvedor de ecu¿rciones de ingeniería 42

I . I l . Incert iclumbre de los datos experimentales 43

. l:, EI examen de fundamentos de ingeniería (FE) 44

: l-1, Técnicas de resolución de problemas 45

. lJ. Historia y perspectiva de la mecánica de f luidos 45

Problemas 46

Problemas clel examen cle fundamentos de

ingeniería 54

Problemas extensos 54

Ref'erencias 51

\PITULO 2

i,r.r ibución de presiones de un f luido 59

L Presión y gradiente de presión 59

I Equil ibr io de una partícula f luida 6l

,r Distribución de presiones en hidrostática 63

l. . \pl icación a la medida cle presiones 69

h. Fuerz¿rs hidrostáticas sobre superficies curvas 19

Fuerzas hidrostáticas en fluidos estratific¿rdos 82

\. Flotación y estabi l idad 84q, Distr ibución de presiones en movimiento como

.tiliclo rígido 9t): 11r. \ leclida de la presión 98

Resunten 102Problemas 102Problemasconceptuales 123

Problemas del examen de fundamentos de

ingeniería 124Problemas extensos 124Proyectos de diseño 126Ret-erencias 121

CAPÍTULO 3Relaciones integrales para un volumen de control 129

3.1. Leyes básicas de la rnecánica de fluidos 129

3,2. Teorem¿r del transporte de Reynolds 133

3.3. Conset'vación de la m¿rsa 14l

3.4. Conservaci(rn cle la cantidad de movimiento 148

3.5. Teorema del momento cinético 161

3.ó. Ecuación de la energía ló6

3.7. Fluio sin fricción: la ecuación de Bemoulli 117

Resumen 185Problemas 186Problenras concePtuales 213Problemas del examen de fundamentos de

ingeniería 213Problemas extensos 214Problemas de diseño 215Ret'erencias 216

CAPÍTT]I,O 4Relaciones diferenciales para una partícula fluida 219

4.1. El carnpo de aceleraciones de un f ' luido 219

4.2. La ecuación diferencial de conservación de la

m¿rsa 2214.3. La ecuación de la cantidad de movimiento en fbrml

cliferencial 2214.4. L¿r ecuación diferencial del momento cinético 234

4.5. La ecuación diferencial de la energía 235

4.6. Condiciones de contomo para l lts ecuactones

4.7.4.8.1.9.4.10.4.11.

básicas 238La función de coriente 243Vonicidad e irotacionalidad 251

Flujos irrotacionales no viscosos 253

Algunos flujos potenciales planos ilustrativos 2-58

Algunos flujos viscosos incompresibles ilustrativos 263

Resumen 272Problem¿rs 212Problemas concePtuales 282

v r l

5 . 1 .i )

5.3.5.,1.

P:.,bientas clel examen de fundamentos clerngen ler ía 282Problent¿rsextensos 283Ref'erencias 284

C{PÍT I ,LO 5.\nálisis dimensional y seme.ianza 2g1

Introducción 287El principio de homogeneidad dimension¿lEl teorema Pi 295Aclimensionalización de las ecuaciones bli, ic¡.La modelización y sus dificultades 3lt)Resumen 320Problemas 320Problemasconceptuales 328Problemas del examen de funclamentos rlerngeniería 329Problemas extensos 329Proyectos de diseño 330Referencias 33 1

CAPITULO 6Flujo viscoso en conductos 335

6.1. Regírnenes en f 'unción del número tle Rernolcls 3356.2. Flu.jos internos y flu.jo: e\ler.no) tJ{ r6.3. Pérdida de carga; el coeflciente cle tricción -l+26.4. Flu.jo laminar completamente desarrollaclo en

conductos circulares 3-1-+6.5. Modelización de la turbulencia -l+76,6. Flujo turbulento en conductos circulares -1-5-l6.7. Tres tipos de problemas sobre t1u.lo !.n rubos -1606.8. Flujo en conductos no circulares -1666.9. Pérdidas localiz¿rdas en sisremas de tuberías 3766.10. Sistemas de tuberías 38,16.11 Experimentación cle flujos en conclucto¡: aetu¿lciones

cle un difusor 3906.12. Medidores en fluidos 395

Resumen 414Problemas 414Problemas conceptuales 43 IProblemas del examen de fundamentos deingeniería 431Problemas extensos 432Proyectos de diseño 434Ref'erencias 134

C {PÍTULO 7Flujo alrededor de cuerpos 431

7.1. Etictos seométricos y clel número de Reynolds 431-7.2. \{étodos integrales en la teoría de la capa límite 4407.3. Las ecu¿rciones cle capa límite 4447.1. Clpl lúrite sobre una placa plana 1167.5. Capa lúrite con gradienre cle presión ,l-5-57.6, Expe rinrentaciírn en flujos externos 461

Resumen +87Problemas +8 7Problemas conceptuales -5(X)Problemas del exanten de fundamentos derngeniería -500Problemas extensos ,50Proyectos cle diseño -502Ref'erencias 502

CAPITULO 8Flujo potencial y mecánica de fluidos computacional 505

8.1. Introducci(tn y repaso -50-58.2. Soluciones elemenrales en flujos planos 50u8.3. Superposición de soluciones de flujos planos 5 I 08.4. Flujos planos alrededor de cuerpos cemados 5 I 68.5. Otros flujos pótenciales planos .52-5t1.6. Imágenes 5308.7. Teoría de perfiles 5328.8. Flujo pdencial axilsimétrico 5138.9. Análisis numérico 549

Resumen .563Problemas -563Problemasconceptuales 5l-4Problemas extensos 5i4Proyectos de diseño 5j6Referencias -57o

CAPÍTULO 9Ffujo compresible 579

9.1. Introducción 5199.2. La velocidad del sonido .5839.3. Flujo estacionario adiabático e isentrópico 5g69.4. Flujo isentrópico con cambios de área 59i9.5. La onda de choque normal 5999.6. Operación de toberas convergentes y divergentes 6069.7. F'lujo compresible en conductos con liicción 6l I9.8. Flujo en conductos sin fricción y con adición de

calor 6239.9. Flujo supersónico bidimensional 6219.10. Ondas de expansión de prancltl-Meyer 637

Resunten 6-50Problemas 650Problemasconceptuales ó63Problemas del examen de fundamentos cleingeniería 663Problemas extensos 664Proyecfos de diseño ó6-5Referencias 66(t

CAPÍTUI,O IOFfujo en canales abiertos 669

t0.1. Introducción 66910.2. Movimiento unifbrme: la f(trmula de Chézy 6l-410.3. Canales eficientes parit movimiento uniforme 6gt)

I : ' r - : l - . , : .p : ; i i i ca : ca lado c r í t i co 6825 t . : . . . , . : , ' h i t l r á u l i c o 6 8 9¡ \1 , . r ' . . :r to gradualmente variado 694- ;-' :-.:: - .. nedida de caudales mediante vefiederos 101

i ' : . - " : l - -3 t l r08

i : r . ¡ :1 , r . 709l r.enr¡: conceptuales 120,j : " ie nr¡r del examen cle fundamentos de

: : : i ' . r c r í i . t 720i . , r lenr ¡s ex tensos 720: r 3 . t t rs de d iseño 121i . : : renc ias 122

\ F , I T T L ( ) 1 I- - F ' , maqu inas 72-5

- . : : . .1u,:ción ¡ ' clasif icación 725. :

' .1 rlrnrba centrífuga 728

. -: --..:r .i: características de bombas y reglas de..: : ' ,e.¡¡t lZa 134

-l I .r ' ! rs hel icocentrífugas y axiales: la velocidad

- . : : ¡ i i i ca 713

CONTENIDO

11.5. Acoplamiento de bombas a una red 75111.6. Turbinas 156

Resumen 169Problemas 169Problemasconceptuales 780Problemas extensos 780Proyecto de diseño 182Ref'erencias 782

Apéndice A Propiedades físicas de los fluidos 78-5

Apéndice B Tablas para flujos compresibles 191

Apéndice C Factores de conversión 807

Apéndice D Ecuaciones de movimiento en coordenadascilíndricas 81 1

Solución de problemas seleccionados 813

Índice 821

tx

Prólogo

E\TOQTTE GENERAL

En la quinta edición del libro Mecúnica de Fluidos se ha añadido y suprimido material con respecto a edi-

ciones anteriores, aunque Ia fi losofía del l ibro se mantiene intacta. La estructura básica, compuesta por

once capítulos y apéndices, sigue igual. Se siguen discutiendo los tres métodos: integral, diferencial y ex-

perimental. Se han añadido nuevos problemas, y se han modificado muchos de los problemas y ejemplos

cle trabajo. Se ha mantenido el estilo informal, orientado a los estudiantes, y se han añadido bastantes fo-

tografías y figuras nuevas.

HERRAMIENTAS DE APRENDIZAJE

El número de problemas continúa aumentando: de los 1089 de la primera edición se ha pasado a I 169 en

la segunda, 1392 en la tercera, 1 500 en la cuarta y 1650 en esta quinta edición. La mayor parte de ellos

son los problemas estándar de final de capítulo, clasificados por temas. También hay problemas concep-

tuales, problemas tipo test clel Examen de Fundamentos de Ingeniería, problemas extensos y proyectos de

diseño. En el apéndice se recogen las respuestas a los problemas seleccionados (los de numeración par).

Los problemas de ejemplo del texto principal han sido reestructurados de nuevo, siguiendo la secuencia

de pasos indicada en la Sección L I 3, con el objetivo de proporcionar una estrategia uniforme de resolución

de problemas a los estudiantes.

C.L\IBIOS DE CONTENIDO

Hay varias modificaciones en cada capítulo. El Capítulo 1 se ha reducido considerablemente, trasladando los

temas más avanzados a capítulos posteriores. Por su gran importancia, se han añadido nuevas discusiones

y nuevas figuras relativas a la visualización de fluios.El Capítulo 2 contiene material nuevo sobre transductores de presión.

El Capítulo 3 introduce una lista de sugerencias específicas para tratar las dif icultades de la ecuación

de cantidad de movimiento. La ecuación de Bernoulli sigue incluyéndose al final en lugar de tratarse en un

nuevo capítulo. Se hace énfasis en las numeros¿rs restricciones a las que está sometida la ecuación de Ber-

noull i, que con frecuencia uti l izan de fbrma inconecta tanto los estudiantes como los ingenieros gradutr-

dos .El Capítulo 4 incluye ahora el análisis del flujo laminar de Poiseuille en conductos, como un ejemplo de

solución exacta rle las ecuaciones de Navier-Stokes. Este tema se vuelve a tratar brevemente en el Capítu-

lo 6. Si no estít de acuerdo con este orden, se pueden omitir las Secciones 4. l0 y 4.11 y tratarlas entonces.

El Capítulo -5 contiene ahora una sección completa donde se discute cómo elegir las variables dimen-

sionalmente independientes adecuadas para el análisis dimensional. Decidiendo en primer lugar cómo se es-

calan y cómo se presentan los datos, la ambigüedad desaparece o al menos se reduce.

En el Capítulo 6 se ha añadido una nueva sección sobre las pérdidas de carga y el coeficiente de l i ic-

ción. El flujo laminar y turbulento en tuberías se estudia cle fbma separada para aumentar la claridad. Los

modelos de turbulencia se incluyen ahora en una nueva sección. Se han añadido nuevos datos sobre pércli-

das localizadass, y se discuten nuevos medidores de caudal. Los medidores de orif icio y tobera incltr¡erl

ahora un factor de comección por compresibil idad.

X I

E,C . i r L i u loTcon t i enenuevasd i scus ionessob reMecán icadeF lu idosCompu tac iona l (CFD. ( t , t t t l u -.; ' : ,¡ idi Fltt id ,\ let'Jtt lrrcs) y más detalles sobre la aproximación de capa límite. Se ha añadido une nLleva

.-actón :obre lnovimientos lentos.El Capítulo 8, salvo por Ia adición de nuevos problemas y referencias, queda prácticamente igual, Creo

qlle se trata del tratamiento más extenso del f lujo potencial en un l ibro para estudiantes no graduados.En el Capítulo 9 se discuten con mayor detalle los flujos de Fanno y Rayleigh y se presentan algunas de

las nuevas tendencias en aeronáutica. tanto subsónicas como supersónicas.El Capítulo 10 contiene más discusiones sobre el número de Froude y ha mejorado el tratamiento de las

soluciones compuestas de movimientos -sradualmente variados gracias ¿rl Profesor Bruce E. LaRock. cle laUniversidad de California, Davis. Se ha añadido un esquema sencil lo de diferencias finitas para movr-mientos variados que resulta úti l cuando las mediciones del campo fluido son escasas. También se ha in-troducido el concepto de vertedero compuesto.

El Capítulo I I está prácticamente inalterado, excepto por las mejoras y las conecciones introducidas porel Prof-esor Gordon Holloway. de la Universidad de New Brunswick.

MATERIAL SUPLEMENTARIO

La página web en inglés del libro, http://www.mhhe.corn/white-5. contiene una Guía de Estudio para el Es-tudiante (Student Sndr- Guide), preparada por el Prof'esor Jerry Dunn, de la Universidad Tecnológica de Te-xas, que proporciona una revisión concisa de los principales temas tratados en un primer curso; versiones tn-teractivas de los problemas del Examen de Fundanrentos de lngeniería (FF,, Fundantentals of Engineering')incluidos en el texto, preparados por el Prot'esor Edward Anderson, de la Universidad Tecnológica de Te-xas, que pueden servir para preparar el eramen o como autoevaluación; un enlace a la página web de EES:y versiones PowerPoint de todas las figuras del texto.

AGRADECIMIENTOS

Como de costumbre. hay tanta gente que ha colaborado en la elaboración de este libro que me es imposiblerecordarlos y enumerarlos a todos. Agradezco las numerosas sugerencias y mejoras realizadas durante la es-critura del l ibro por Gordon Hollou'ar'. de la Universidad de New Brunswick. Todas las revisiones, junrocon el material adicional. incluvendo el Manual de Soluciones, fueron revisados y coregidos por mi cole-ga Elizabeth J. Kenl'on. Muchos otros colaboradores realizaron numerosas sugerencias y correcciones, pro-porcionaron material para el l ibro ¡ me dieron ánimos para seguir adelante: Alex Smits, Universidad dePrinceton; Rav Taghar,i. Unii 'ersiclad de Kansas; Ganesh Raman, Instituto Tecnológico de Il l inoist PhilCombs, B. D. Fuller 1'Warne Stroupe, LI .5. ArmyW(tterways Experiment Station; John Cimbala, Univer-sidad del Estado de Penns;'h'ania: Sheldon Green, Universidad de la Columbia Británica; Nikos J. Mourtos,Universidad del Estado de San José: Jacques Lewalle, Universidad de Syracuse; Richard McCuen, Uni-versidad de Maryland; Andris Skattebo. St'ondpower,4/S; Bruce E. Larock, Universidad de Califbmia, Da-vis; Sandra Barette y Joan Zimmer. Budger Meter, Inc.;Dean Mohan, PCB Piezr¡tt'onics; Andrei Smimove Ismail Celik, Universidad de West Virginia; Femando Tavares de Pinho, CEFT-TrunsporÍ Phenomena Re-seurch Cenlre, Portugal, S. Y. Son. Ken Kihm y J. C. Han, Universidad de Texas A&M; Ethan Lipman,Universidad de Califbmia, Davis: Deborah Pence, Universidad del Estado de Oregon; Debendra K. Das,Universidad de Alaska, Fairbanks: John Gay y Nick Galante, íJ.5. Nav,r; Dimitre Karamanev, Universidadde Westem Ontario; Jay M. Khodadadi. Universidad de Auburn; John Foss, Universidad del Estado de Mi-chigan; William Palm y Raymond Wri-eht. Universidad de Rhode Island; Haecheon Choi, Universidad Na-cional de Seoul, Korea; Lee Jay Fingersh, l,lutir,¡nal Renewahle Energy Laborator,\; John Sheridan, Uni-versidad de Monash; Jason Reese, Universidad de Londres; Samuel S. Sih, Wallq Wallo College; ChihyungWen, Universidad de Da-Yeh, Taiwan; Tim Gourlay, Australicut MariÍ ime College: Azer Yalin, Universi-dad del Estado de Colorado; Donald E. Richards, Instituto Rose-Hulman; Bob Oakberg, Universidad del Es-taclo de Montana; Brian James Savilonis, Instituto Politécnico de Worcester; Ryoichi S. Amano, Ph.D., Uni-I ersidad de Wisconsin-Milwaukee; James D. McBrayer, P.E., D.Sc., Universidad de Florida Central; DonL. Bover. Universidad del Estado de Arizona; Savas Yavuzkurt, Universidad del Estado de Pennsylvania;Abdul I. Barakat, Universidad de California, Davis; James A. Liburdy, Universidad del Estado de Oregon;Clernent Kleinstreuer, Universidad del Estado de Carolina del Norte. Raleish: Robert G. Oakberc. Uni-

P R O L O G O xil l

: -. ,-,:-r lel Estado de Montana. También han colaborado en la revisión: Dr. John W. Nicklori . P.E.. P.H.,' ' .:. .1r.1 del Sur de Il l inois, Carbondale; Gary Tatterson, Universidad del Estado de North Carolina

- :. -

i: ' . :honr J. McHugh, Universidad de Il l inois; Soyoung Cha, Universidad de Il l inois-Chicaco: Donald- ,- ---r. In:tituto de Tecnología Stevens; Darrell W. Pepper, Ph.D., Universidad de Nevada. Las Vegas: ¡,: :- i : i- H. Chc¡rvdhury, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Bangladesh.

- nr,r r iene siendo habitual, la colaboración del personal de McGraw-Hill fue de enonne er utla.- . - . i¡r las gracias a Jonathan Plant, Amy Hil l, Regina Brooks, Rory Stein, Jil l Peter, Brenda E,rnzen.: ,:. \t¡r1. Beverly Steuer, Meg McDonald, David Tietz, Denise Keller, Lauren Timmer y Stephanre- -," _:- Finrllnente. quiero agradecer, como siempre, el apoyo y los ánimos constantes de mi mujer y mi fa-

Prólogo a la edición española

Me complace prolo-ear est¿r traducción española del libro de Frank M. White. Fltid Mechanir,.s, que a mi ¡ui-cio representa una introducción excelente a la Mecánica de Fluidos.Cubre muy eficazmente y con el rigorsuficiente una gran variedad de temas de interés práctico, sin requerir por p¿lrte clel alumno un gran nivel deconocimientos matemáticos o físicos de oartida.

Quisiera resaltar el papel que los numerosos ejercicios de este l ibro juegan para complementar la ex-posición de la Mecánica de Fluidos dada en el texto principal. El auror ha c-onsÉguido, mldiante una cui-dadosa selección de los ejercicios, ofrecer al alumno iu poribitidud de aprovechar-el tr;bajo que la realiza-ción de los ejercicios representa, no sólo para meiorar su comprensión de los temas desarroiiaoos en el texto,sino también para ampliar sus conocimientos y su sentido físico del movimiento de los fluiclos y de las apli-caciones prácticas de estos conocimientos. Tanto instructores como alumnos deben ser conscientes de Iamagnífica oportunidad que este texto les ofrece de hacer más eficaz su labor.. Dado que no existe unifbrmidad en la nomenclatura en español para los distintos conceptos de Mecánica

de Fluidos' los traducton'es. cuyo profundo conocimiento dela Mecánica de Fluidos me consta. se han vis-to fiecuentemente obligados a hacer una elección entre las varias posibil idades, a sabiendas de que el re-sultado no puede satisfhcer a todos. (Quizír sea especialmente l lamativa la elección cle tensor de esfuerzosen lugar de la altemativa cle tensor de tensiclnes.) En todo caso los traductores han tratado de hacer apareceren el texto o en el índice la nomenclatura altentatir,,a.

Teniendo en cuenta que en su actir iclacl profesionnl los futuros ingenieros tenclrán, casi inevitablemen-te, necesidad de uti l izar unidades in-elesas. se h¿r mantenido sensiblemente la proporción en que las unida-des inglesas y las métricas aparecían en los ejemplos v ejercicios del texto orieinal.

Amable Liñán

xrv