Mecánica de Fluidos Significado, Historia, y Propiedades

Significado: ¿Qué comprende la Mecánica de Fluidos?

Se dedica a revelar el comportamiento de los fluidos, entendiendo como tales a líquidos y gases, valiéndose de los principios y leyes fundamentales de la Física: las leyes de Newton, la conservación del ímpetu o cantidad de movimiento, y la conservación de la energía, entre otras. Igualmente hace uso de la experimentación para elaborar modelos que describan un fenómeno determinado bajo ciertas circunstancias.

Se trata de un área del conocimiento extremadamente importante, ya que los seres vivos viven inmersos en la atmósfera, una mezcla de gases que sustenta la vida. La interacción entre los gases atmosféricos es compleja y determina los diversos patrones de clima presentes en el planeta.

Asimismo la mecánica de los fluidos indaga en el comportamiento del agua, considerada como el fluido universal, y que sirve como modelo de comparación para el resto de los líquidos. De hecho la Hidráulica, como se denomina a la ciencia enfocada en su estudio y aprovechamiento, está entre las ramas del saber más antiguas que se conocen. El agua es un fluido vital para la vida y para la humanidad, y al igual que el aire, modela la superficie terrestre, el clima y la formación de los ecosistemas.

Se organiza en tres grándes áreas y sus respectivas ramificaciones:

– Estática de fluidos: se ocupa de las características de los fluidos en reposo.
– Cinemática de fluidos: describe el movimiento.
– Dinámica de fluidos: explica las distintas interacciones que ocurren entre los fluidos, así como entre estos y los sólidos.

Esta área forma parte de un marco aún mayor, llamado Mecánica de los Medios Continuos, la cual describe un modelo realista, al suponer que los objetos están constituidos por innumerables partículas indistinguibles. Un fluido es, por lo tanto, un medio continuo y las ecuaciones de la Física se aplican teniendo en cuenta este importante detalle.

Historia: Referencias determinantes

Desde la más remota antigüedad, los asentamientos humanos procuraron tener siempre a mano un suministro de agua apropiado para cubrir sus necesidades, por ello la Hidraúlica es la más antigua de las ramas de la Mecánica de fluidos.

Las personas se vieron en la necesidad de aprovechar e incluso modificar las corrientes de agua para desarrollar la agricultura y satisfacer el consumo. Los acueductos romanos que todavía persisten en algunos parajes de Europa son evidencia de los logros alcanzados por la humanidad en este aspecto.

El principio de Arquímedes, que rige la estática de los fluidos, se debe al notable físico Arquímedes de Siracusa (actual Sicilia) (287-212 aC). Mucho más tarde, en el siglo XVII, la experimentación dio sus frutos con Evangelista Torricelli (1608-1647), quien determinó la existencia de la presión atmosférica y el principio de Pascal, debido a Blaise Pascal (1623-1662).

Un análisis matemático más formal, destinado a elaborar modelos y construir una teoría sólida de los fluidos requería conocimientos matemáticos más avanzados que salieron a la luz durante el siglo XVIII. Hacia 1738 el científico Daniel Bernoulli (1700-1782) estableció las bases de la hidrodinámica con el principio de Bernoulli.

Una serie de matemáticos notables fueron contribuyeron al desarrollo de la Mecánica de los Fluidos, aunque por entonces aún no se la conocía por este nombre. Entre los más ilustres se encuentran D´Alembert, Euler, Laplace, Lagrange, Navier, Stokes y Clairaut, por citar unos pocos, pues la lista no es exhaustiva.

Para el siglo XIX y en plena revolución industrial, el estudio de los gases comienzó a adquirir relevancia y hacia finales de ese siglo y comienzos del XX, ocurrió la unificación las distintas ramas de estudio (gases, hidráulica e hidrodinámica), que hasta entonces eran campos separados de estudio.

Es tan notable el aporte del ingeniero alemán Ludwig Prandtl (1875-1953) con su concepto de capa límite, dado a conocer en 1904, que esta fecha se considera como el inicio de la actual Mecánica de Fluidos, la que se estudia hoy en día los ingenieros de todo el mundo.

También durante el siglo XX se llevaron a cabo numerosos estudios experimentales destinados a crear modelos para flujos complejos, como el del agua en los ríos, cauces, así como las olas oceánicas y el comportamiento de turbinas y maquinarias en flujos de aire. El advenimiento de las computadoras contribuyó a acelerar los cálculos y mejorar la precisión en los modelos, pero sin duda, todavía queda muchísimo más por descubrir.

Propiedades en la Mecánica de los Fluidos

Al ser un medio continuo, los fluidos se estudian empleando sus características más relevantes:

Fluidez

Gracias a la relativa movilidad de las partículas que los componen, los fluidos no resisten los esfuerzos cortantes y por ello no conservan una forma definida, siendo capaces de moverse y fluir.

Densidad y peso específico

En lugar de la masa, los fluidos se estudian a través de su densidad, que es el cociente entre la masa y el volumen, o bien su peso específico o razón entre el peso y el volumen.

Viscosidad

Los fluidos reales tienen rozamientos internos entre sus capas, por lo que experimentan cierta oposición a fluir, una característica que se mide a través de la viscosidad.

Por eso, los fluidos en los que no se considera esta propiedad se llaman fluidos ideales.

Compresibilidad

Es la magnitud que describe cuán fácil o difícil es comprimir una sustancia. Entre dos materiales diferentes y sometidos a una misma presión, uno de ellos es más compresible que otro cuando experimenta una mayor deformación. Como se sabe, los gases son altamente compresibles y su densidad puede modificarse fácilmente, con los líquidos se requiere una mayor presión y todavía más si se trata de un sólido.

La temperatura afecta la compresibilidad, pues esta disminuye al aumentar aquella. Un fluido ideal, aparte de no ser viscoso, también es incompresible, por lo que su densidad se mantiene constante, al menos en un amplio rango de temperaturas.

Presión

Los fluidos ejercen presión sobre las paredes de los recipientes que los contienen y los objetos en su interior, así como entre sus capas. Si el fluido está en reposo, se trata de la presión hidrostática. Por ello el concepto de presión como fuerza por unidad de área es primordial para estudiar su interacción, en vez de usar la fuerza, como sucede cuando se trabaja con el modelo de partícula.