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1.Definición

2.Propiedades fundamentales de los líquidos

3.Concepto previos: Peso, Densidad, Peso Específico

Presión

4.Compresibilidad de un líquido

5.Tensión superficial

6.Viscosidad

7.Tensión de vapor. Cavitación

Tema 1. Hidráulica Generalidades

Tema 1. Hidráulica. Generalidades

1-DefiniciónUn fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. Fluidos son líquidos y gases.Los líquidos se diferencian de los gases por la fluidez y menor movilidad de sus partículas y porque ocupan un volumen determinado, separándose del aire mediante una superficie plana. En esta asignatura nos ocuparemos únicamente: del comportamiento de los líquidos, y más concretamente, del agua.La Hidráulica es la parte de la Mecánica que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluidos con aplicación a los problemas de naturaleza práctica:(conducciones, abastecimientos, riegos, saneamientos, etc.).


Partiendo de la Mecánica racional, deduce, auxiliada por la experiencia, las fórmulas que permiten resolver los problemas de índole práctica con que a diario se encuentra el técnico. Se estudian los líquidos como si fueran fluidos perfectos (homogéneos, no viscosos e incompresibles) y se les aplican las leyes de la Mecánica, corrigiendo las fórmulas con coeficientes determinados empíricamente para que se ajusten a la realidad. Por lo tanto, la Hidráulica, es una ciencia aplicada y semiempírica. La parte de la Hidráulica que estudia las condiciones de equilibrio de los fluidos se llama Hidrostática o estática de fluidos, mientras que la Hidrodinámica se ocupa del movimiento de los mismos.Mecánica Racional Rama de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos materiales y las causas de dichos movimientos.


2. Propiedades fundamentales de los líquidosLos líquidos son sistemas deformables constituidos por un número infinito de puntos materiales aislados, infinitesimales. Se trata de sistemas continuos donde no existen “espacios vacíos” dentro de la masa.Desde el punto de vista de la Mecánica cabe destacar las siguientes propiedades fundamentales de los líquidos:Isotropía: Se conocen como isótropos a las sustancias cuyas propiedades son idénticas en cualquier dirección.Movilidad: Carencia de forma propia. Aptitud para adoptar cualquier forma, la del recipiente que los contiene.Viscosidad: Propiedad por la que el líquido ofrece resistencia a los esfuerzos tangenciales que tienden a deformarlo.Compresibilidad: Propiedad por la cual los líquidos disminuyen su volumen al estar sometidos a incrementos de presión positivos. En los líquidos esta disminución es muy pequeña, es decir, son poco compresibles.


Los líquidos que tienen las propiedades de isotropía, movilidad, incompresibilidad y no viscosos se llaman líquidos perfectos. Un líquido (fluido) perfecto no existe en la Naturaleza. En los líquidos existe, en la realidad, una atracción molecular, especie de cohesión, que es la viscosidad, y que expresa la resistencia del líquido a dejarse cortar o separar. Sin embargo, un líquido real en reposo se comporta como perfecto, ya que sólo se manifiesta la viscosidad cuando está sometido a esfuerzos que lo deforman.

En física, la isotropía, (cuya etimología está en la raíces griegas ισος isos 'equitativo, igual', y τρόπος tropos, medio, espacio de lugar, dirección), es la característica de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas. Es decir, se refiere al hecho de que ciertas magnitudes vectoriales conmensurables dan resultados idénticos independientemente de la dirección escogida para dicha medida.


3. Conceptos previos

Peso y masaLa masa es una propiedad intrínseca de los cuerpos. Se mide en: Sistema cegesimal (CGS) GramoSistema Internacional (SI) KilogramoSistema Técnico (ST) Kg – masa o UTMEl peso de un cuerpo se define como la fuerza con que es atraído por laTierra, aplicada en su centro de gravedad (cdg).p = m ⋅ gAl ser una fuerza, sus unidades son el Newton (N) en el SI, la Dina (Dn)en el CGS y el Kilopondio (Kp) en el ST.


Densidad y Peso específicoLa densidad absoluta (ρ) de un cuerpo se define como la relación entre su masa (m) y el volumen (V) que ocupa, es decir, es la masa de la unidad de volumen:ρ/v =m

En el SI la densidad se mide en Kg/m3, en g/cm3 en el CGS y enUTM/m3 en el ST.

Por regla general, la densidad varía para una misma sustancia líquida en función de la temperatura (a mas temperatura menor densidad) y de la presión (a más presión más densidad).

Efectivamente, un aumento de temperatura implica un aumento de volumen por dilatación, y un aumento de presión, una disminución de volumen por compresión, mientras que en ambos casos la masa permanece constante.Con frecuencia se considera como densidad del agua 1000 kg/m3 (SI) o 1 g/cm3 (CGS).

El peso específico absoluto (γ) de un cuerpo se define como la relación entre su peso (p) y el volumen (V) que ocupa, es decir, es el peso de la unidad de volumen: γ = p/v = m ⋅ g/V

Sus unidades son: N/m3 en el SI, Dn/cm3 en el CGS y Kg/m3 en el ST. Considerando la aceleración de la gravedad g=9.8 m/s2, puede tomarse para el agua γ Agua = 1000 kg - peso/m3 ó 102 Nw/m3 .


El peso específico varía con la temperatura y la presión de forma similar a la descrita para la densidad. Ambas características están relacionadas de la siguiente manera: Como γ = m ⋅ g/V y ρ = m/V

p = m ⋅ g = ρ ⋅ V ⋅ g = γ ⋅ V El peso específico relativo (δ) es el peso específico de una sustancia respecto del agua, por lo que es adimensional. La densidad relativa también viene referida a la densidad del agua.

δ = γ / γ agua ρ Relativa = ρ / ρ agua



Presión: atmosférica, relativa y absolutaLa presión es una fuerza normal ejercida sobre un cuerpo por unidad de superficie. Se mide en Pascales (SI), siendo 1Pa = 1N/m2 La presión atmosférica sobre un punto se define como el peso de la columna de aire, de base unidad, que gravita sobre dicho punto. Se mide con el barómetro, por lo que la presión atmosférica también se denomina presiónbarométrica.Presión que ejerce un líquido = Peso /s = γ ⋅ v /s = γ ⋅ s ⋅ h /s = γ ⋅ h , Presión = γ⋅hEsta ecuación, fundamental en Hidráulica, representa la presión ejercida por una columna de líquido de altura h, peso específico γ y base unidad.Permite medir la presión mediante la altura de presión, que correspondería a la altura de una columna de agua, que da lugar a una presión equivalente a la que soporta un punto determinado. h = P /γ

Tema 1. Hidráulica GeneralidadesEvidentemente, una misma presión P estará representada por distintas alturas según el líquido considerado, tanto mayores cuanto menor sea γ.

El valor de la presión atmosférica en condiciones normales y a nivel del mar es el equivalente a una columna de mercurio de 760 mm, y se denomina atmósfera física.

La presión relativa es la presión que existe sobre la presión atmosférica normal, es decir, tomando como origen de presiones la presión barométrica. Se mide con el manómetro, por lo que la presión relativa también se conoce como presión manométrica.

La presión absoluta que existe en un punto es la suma de las dos anteriores, es decir, es el valor de presión medido sobre el vacío o cero absoluto:Presión absoluta = Presión barométrica + Presión manométrica

En Ingeniería Hidráulica se acostumbra a trabajar con presiones relativas o manométricas, a medir la presión en metros de columna de agua (m.c.a.) y a aplicar las equivalencias con la atmósfera técnica o métrica, ya que la atmósfera física proporciona valores no muy cómodos de manejar.

1atm física ≈ 1.033 kg/cm2 = 1.013 bar = 1.013 ⋅ 105 Pa = 10.33 m.c.a. = 760 mm Hg 1atm técnica ≈ 1kg/cm2 = 1bar = 98100 Pa = 10 m.c.a. = 100000 kg/m2



4. Compresibilidad de un líquidoLos líquidos son compresibles, aunque para su estudio se considera que son incompresibles.En realidad, puede despreciarse su compresibilidad, ya que es baja en comparación con la que presentan los otros fluidos, los gases. Consideramos un tubo cilíndrico lleno de líquido a una presión “p“, en reposo, y lo comprimimos apretando un émbolo colocado en su extremo, como representa la figura.(-dv/v).k=dp de aquí se obtiene k

que será: K = dp /− dv/v La disminución de volumen Vrespecto a la variación de presión aplicada.


Siendo K el coeficiente volumétrico de elasticidad.El módulo volumétrico de compresibilidad de un líquido (c) se define como la inversa del coeficiente volumétrico de elasticidad.c = 1/KK =0 → Líquidos perfectosK =∞ → GasesKh2o = 2100 kg/cm2

5. Tensión superficialLa tensión superficial de un líquido se define como el trabajo que hay que aplicar para aumentar en una unidad su superficie libre. Se debe a las fuerzas de atracción que se ejercen entre las moléculas de la superficie libre de un líquido, que son debidas a la cohesión entre sus moléculas y a la adhesión entre las moléculas del líquido y las paredes del recipiente.Los casos que se pueden presentar en función del balance entre las fuerzas de cohesión y adhesión son los siguientes:



1)Cohesión > Adhesión con el aire: El líquido libre adquiere una forma determinada sin necesidad de recipiente. Es el caso de las gotas de agua, que son esféricas, y es válido para volúmenes pequeños.2) Adhesión > Cohesión: Se forma un menisco cóncavo al elevarse el líquido en contacto con el contorno sólido. Se dice que el líquido moja el recipiente, y es el caso del agua en un tubo de vidrio.3) Adhesión < Cohesión: Se forma un menisco descendente, dando a la superficie del líquido aspecto convexo. En este caso se dice que el líquido no moja el recipiente, como sucede, por ejemplo, entre el mercurio y el vidrio.

En Hidráulica la tensión superficial no se tiene en cuenta por su poca importancia frente a las cargas hidrodinámicas, que son mucho mayores. Además, este fenómeno solo tiene importancia en conductos de pequeño diámetro (capilares), inusuales en la mayoría de las aplicaciones hidráulicas.En Hidráulica la tensión superficial no se tiene en cuenta por su poca importancia frente a las cargas hidrodinámicas, que son mucho mayores. Además, este fenómeno solo tiene importancia en conductos de pequeño diámetro (capilares), inusuales en la mayoría de las aplicaciones hidráulicas.En Hidráulica la tensión superficial no se tiene en cuenta por su poca importancia frente a las cargas hidrodinámicas, que son mucho mayores. Además, este fenómeno solo tiene importancia en conductos de pequeño diámetro (capilares), inusuales en la mayoría de las aplicaciones hidráulicas.1) Cohesión > Adhesión con el aire: El líquido libre adquiere una forma determinada sin necesidad de recipiente. Es el caso de las gotas de agua, que son esféricas, y es válido para volúmenes pequeños.2) Adhesión > Cohesión: Se forma un menisco cóncavo al elevarse el líquido en contacto con el contorno sólido. Se dice que el líquido moja el recipiente, y es el caso del agua en un tubo de vidrio.3) Adhesión < Cohesión: Se forma un menisco descendente, dando a la superficie del líquido aspecto convexo. En este caso se dice que el líquido no moja el recipiente, como sucede, por ejemplo, entre el mercurio y el vidrio.

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En Hidráulica la tensión superficial no se tiene en cuenta por su poca importancia frente a las cargas hidrodinámicas, que son mucho mayores. Además, este fenómeno solo tiene importancia en conductos de pequeño diámetro (capilares), inusuales en la mayoría de las aplicaciones hidráulicas.



6. Viscosidad

Los fluidos no pueden considerarse siempre como perfectos debido a su viscosidad. Se considera la lámina de fluido compuesta por infinitas capas paralelas, y la experiencia muestra que los fluidos oponen resistencia a ser deformados, es decir, a que cada lámina deslice sobre sus inmediatas, ya que al moverse una porción de fluido respecto a otra se originan fuerzas tangenciales que en algunos casos no pueden despreciarse. Se dice entonces que el líquido es viscoso y el fenómeno se denomina viscosidad.Para una misma deformación, distintos fluidos oponen resistencias diferentes, es decir, la viscosidad es una propiedad de los mismos.


La viscosidad expresa la resistencia del líquido a dejarse cortar o separar. Por ejemplo, un avión o un submarino se mueven con esfuerzo porque han de deformar, respectivamente, el aire o el agua que los envuelve.

Se llama viscosidad dinámica o simplemente viscosidad (μ) de un fluido a la resistencia que éste opone a su deformación, o dicho de otro modo, a que las láminas de fluido deslicen entre sus inmediatas.Para una misma deformación, distintos fluidos oponen resistencias diferentes, es decir, la viscosidad es una propiedad de los mismosPara una misma deformación, distintos fluidos oponen resistencias diferentes, es decir, la viscosidad es una propiedad de los mismos

La figura representa un fluido en movimiento. La lámina de fluido en contacto con el contorno sólido queda pegada a él y su velocidad relativa es nula. A cierta distancia δ, otra lámina se mueve prácticamente con la velocidad máxima. Las infinitas velocidades de las láminas intermedias varían entre ambos valores extremos, existiendo deslizamiento de unas capas sobre otras.


Tema 1. Hidráulica GeneralidadesEl diagrama o perfil de velocidades, distinto en cada caso, es tal que, en relación a la misma separación dy, la variación de velocidad entre dos capas próximas al contorno deslizan más, es decir dv/dy > dv' /dy. Esta derivada, llamada gradiente de velocidad, es máxima en la pared y nula a partir de la distancia δ del contorno.Supongamos dos placas paralelas que contienen entre ellas una capa muy delgada de líquido. Para que una placa se deslice sobre la otra, cortando o desgarrando la lámina de líquido interpuesta, hay que aplicar una fuerza tangencial o esfuerzo cortante (F) que es igual a la resistencia por unidad de superficie que aparece entre las dos láminas deslizantes. El valor de esta fuerza es directamente proporcional a la superficie de contacto (s) y al gradiente de velocidad (dv/dy) , es decir: F ≈ s ⋅ dv /dy


El esfuerzo tangencial de rozamiento entre las capas (las cercanas a las paredes no se mueven y conforme se alejan de ellas la velocidad aumenta) es directamente proporcional a la diferencia de sus velocidades e inversamente proporcional a su separación.

También significa que fuera de la capa de espesor δ el fluido se comporta como no viscoso, ya que F será nula al serlo dv/dy. Esta capa de espesor δ fue descubierta por Ludwig Prandt (1875-1953) y se conoce como capa límite, pudiendo medir desde unas pocas micras a varios centímetros, e incluso metros, según los casos. Se estudiará en el tema 6.

El valor de la fuerza F es: F = μ ⋅ s ⋅ v /y Fórmula de Newton para la viscosidad μ : viscosidad del líquido, coeficiente de viscosidad, viscosidad absoluta, viscosidad dinámicas: superficie de cada una de las placasv : velocidad de una placa respecto a la otra y : espesor de la lámina líquida


Unidades:

Sistema CGS (actualmente en desuso):

μ = F ⋅ y /s ⋅ v = g/ cm 2 ⋅ cm/cm/s = g ⋅ s/cm2

ν = μ/ ρ = g ⋅ s/cm2/ / g ⋅ s 2/ cm 4 =cm2/s [L2 ⋅ T −1 ](Stokes)


Sistema Técnico: μ = CGS /98.1 ν = ν CGS ⋅ 10 -4

Sistema Internacional: μ = kg/m ⋅ s = 10Poise ν = m 2/s = 10 4 Stokes

El valor de la viscosidad es función de la temperatura, de forma que si aumenta la temperatura disminuye la viscosidad. La tabla 1.1 muestra el valor de la viscosidad cinemática del agua a diferentes temperaturas.


Tabla 1.1. Viscosidad cinemática del agua (ν) a diferentes temperaturas (T)

T (ºC) ν (m2/s) T (ºC) ν (m2/s)4 1.568⋅10-6 30 0.803⋅10-65 1.519⋅10-6 40 0.659⋅10-610 1.310⋅10-6 50 0.556⋅10-615 1.146⋅10-6 60 0.478⋅10-620 1.011⋅10-6 70 0.416⋅10-6

Para temperaturas comprendidas entre 10 y 40º C, la viscosidadcinemática puede calcularse aproximadamente mediante la ecuación: ν = 40 ⋅10−6/t + 20 con t (ºC) y ν (m2/s)

Para cálculo de riegos se consideran temperaturas comprendidas entre 15 y 20º C.


7. Tensión de vapor. CavitaciónLas moléculas de los líquidos se mueven en todas las direcciones y con todas las velocidades posibles. Solo las moléculas que posean una energía cinética mayor que las fuerzas de atracción podrán escapar del líquido, produciéndose su evaporación. Las moléculas escapadas quedan sobre la superficie libre del líquido y contribuyen a aumentar la presión del gas exterior con una presión parcial que se denomina tensión o presión de vapor. En un líquido que se encuentre en un recipiente cerrado con espacio libre sobre su superficie, esta tensión de vapor irá aumentando hasta que el número de moléculas que entran en el líquido se iguale con las que salen, estableciéndose un equilibrio entre el liquido y su tensión de vapor, que se conoce como tensión máxima de saturación (tms). La tensión máxima de saturación varía en función de la naturaleza del líquido y de la temperatura (a mayor temperatura mayor tensión de vapor).

Cuanto menor sea la presión absoluta a que está sometido un líquido menor será la temperatura a la que se produce su vaporización, es decir, su temperatura de saturación, y viceversa: cuanto menor sea la temperatura del líquido menor será la presión de vaporización. Por ejemplo, a la presión atmosférica normal (1 atm, 10 mca) el agua hierve a 100ºC, pero si se somete el agua a la presión absoluta de 0.01 atm (0.1 mca), herviría a 7ºC.


La tabla 1.2 muestra los valores de la tensión de vapor del agua a distintas temperaturas.

Tabla 1.2. Tensión de vapor del agua, Pv/γ, (mca-absoluta) en función de la temperatura (T)

T (ºC) Pv/γ T (ºC) Pv/γ0 0.062 40 0.7534 0.083 50 1.25810 0.125 60 2.03320 0.239 80 4.831

30 0.433 100 10.333


Tema 1. Hidráulica GeneralidadesSi en algún lugar de la conducción la presión absoluta es menor que la tensión de vapor a esa temperatura, el líquido hierve. Si posteriormente la presión absoluta aumenta hasta ser mayor que la tensión de vapor, el líquido se condensa.

La sucesión continuada de estos dos fenómenos producen vibraciones, contracciones y golpeteos que producen la corrosión de la conducción por cavitación, una de las mayores causas de avería en las instalaciones de bombeo. Se aprecian vibraciones en los manómetros y los daños se producen donde el gas pasa a líquido, como si se hubieran dado martillazos. La vena líquida disminuye al llevar una parte de gas, con lo que la sección disminuye a efectos prácticos, y con ella el caudal transportado.

DINAMICA DE FLUIDOS O HIDRODINAMICA

Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos.Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin embargo, como esto nunca es así en el caso de los fluidos reales en movimiento, los resultados de dicho análisis sólo pueden servir como estimación para flujos en los que los efectos de la viscosidad son pequeños.

a) Flujos incompresibles y sin rozamientoEstos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, que afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Este principio es importante para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo.Ecuación de continuidad: (para flujo estacionario e incompresible, sin fuentes ni sumideros, por evaluarse a lo largo de una línea de corriente).1) Ley de conservación de la masa en la dinámica de los fluidos:A1.v1 = A2.v2 = constante


Ley de conservación de la masa en la dinámica de los fluidosRecordar que p = F/A ⇒F = p.AFlujo de volumen: (caudal).Φ = A .v [m³/s]


Ecuación de Bernoulli: (principio de conservación de la energía) para flujo ideal (sin fricción).p1 + δ.v1²/2 + δ.g.h1 = p2 + δ.v2²/2 + δ.g.h2 = constantep1/δ + v1²/2 + g.h1 = p2/δ + v2²/2 + g.h2p/ δ = energía de presión por unidad de masa.g.h = energía potencial por unidad de masa.v²/2 = energía cinética por unidad de masa.Ecuación de Bernoulli para flujo en reposo: v1 = v2 = 0p1 + δ.g.h1 = p2 + δ.g.h2


b) Flujos viscosos: movimiento laminar y turbulentoLos primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente por Poiseville y por Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió a Navier, independientemente, a Sir George Gabriel Stokes, quien perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta.El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos demostraron que esto sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad.


Este problema se resolvió cuando Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales coinciden con las predicciones analíticas. A velocidades más elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente.Reynolds también determinó que la transición del flujo laminar al turbulento era función de un único parámetro, que desde entonces se conoce como número de Reynolds. Si el número de Reynolds (que carece de dimensiones y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido) es menor de 2.000, el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son mayores a 3000 el flujo es turbulento. El concepto de número de Reynolds es esencial para gran parte de la moderna mecánica de fluidos.


Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos; gran parte de la investigación moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados.

Ecuación de Bernoulli para flujo real (con fricción)p1/δ + v1²/2 + g.h1 = p2/δ + v2²/2 + g.h2 + H0H0 = perdida de energía por rozamiento desde 1 hasta 2.


c) Flujos de la capa límiteLos flujos pueden separarse en dos regiones principales. La región próxima a la superficie está formada por una delgada capa límite donde se concentran los efectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemático. Fuera de esta capa límite, se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, y pueden emplearse las ecuaciones matemáticas más sencillas para flujos no viscosos.La teoría de la capa límite ha hecho posible gran parte del desarrollo de las alas de los aviones modernos y del diseño de turbinas de gas y compresores.d) Flujos compresiblesEl interés por los flujos compresibles comenzó con el desarrollo de turbinas de vapor por el británico Parsons y el sueco Laval. En esos mecanismos se descubrió por primera vez el flujo rápido de vapor a través de tubos, y la necesidad de un diseño eficiente de turbinas llevó a una mejora del análisis de los flujos compresibles. El interés por los flujos de alta velocidad sobre superficies surgió de forma temprana en los estudios de balística, donde se necesitaba comprender el movimiento de los proyectiles.


Uno de los principios básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas cambia cuando el gas se ve sometido a grandes cambios de velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura también cambia, lo que lleva a problemas de análisis más complejos. El comportamiento de flujo de un gas compresible depende de si la velocidad de flujo es mayor o menor que la velocidad del sonido.El sonido es la propagación de una pequeña perturbación, u onda de presión, dentro de un fluido. Para un gas, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de su temperatura absoluta. La velocidad del sonido en el aire a 20 °C (293 Kelvin en la escala absoluta), es de unos 344 metros por segundo. Si la velocidad de flujo es menor que la velocidad del sonido (flujo subsónico),las ondas de presión pueden transmitirse a través de todo el fluido y así adaptar el flujo que se dirige hacia un objeto. Por tanto, el flujo subsónico que se dirige hacia el ala de un avión se ajustará con cierta distancia de antelación para fluir suavemente sobre la superficie.


En el flujo supersónico, las ondas de presión no pueden viajar corriente arriba para adaptar el flujo. Por ello, el aire que se dirige hacia el ala de un avión en vuelo supersónico no está preparado para la perturbación que va a causar el ala y tiene que cambiar de dirección repentinamente en la proximidad del ala, lo que conlleva una compresión intensa u onda de choque. El ruido asociado con el paso de esta onda de choque sobre los observadores situados en tierra constituye el estampido sónico de los aviones supersónicos. Frecuentemente se identifican los flujos supersónicos por su número de Mach, que es el cociente entre la velocidad de flujo y la velocidad del sonido. Por tanto, los flujos supersónicos tienen un número de Mach superior a 1.


ViscosidadPropiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy útiles como lubricantes cuando una máquina está sometida a grandes cambios de temperatura.


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