Mecánica De Fluidos.docx

Mecánica de fluidos I.

Historia Es difícil separar la historia del hombre y la del agua, tan necesaria para la vida del primero. Descontando un uso natural del agua en la prehistoria para beber, pescar y navegar a pequeña escala, es con el comienzo de la agricultura en el Neolítico cuando comienza el hombre a preocuparse por aprovecharla de forma sistemática. Hay constancia de estructuras de regadío (canales, acequias, norias...) ya en Mesopotamia, el valle del Indo, China, Babilonia y el Antiguo Egipto, así como en culturas amerindias como los Anasazi. La necesidad de emprender grandes trabajos hídricos que sustentaran a la agricultura fundamentó los primeros Estados (en lo que historiadores como Marx han dado en llamar despotismo hidráulico), al requerir la cooperación de gran cantidad de personas de forma coordinada. El control de inundaciones, el reparto del agua y su gestión para permitir ampliar las zonas aptas para el cultivo determinaron el éxito o fracaso de muchas de esas culturas. Así, ecólogos como Jared Diamond, en su libro Colapso mencionan como la erosión por la eliminación de vegetación natural redujo la altura de los arroyos por debajo de los canales y acequias, con letales consecuencias para los Anasazi1. La extraordinaria fertilidad del Nilo debido a sus crecidas permitió el auge de población del Antiguo Egipto. Sin embargo, la población se concentraba en torno al río, quedando las áreas alejadas de donde se podía llevar el agua despobladas. En Mesopotamia, fue determinante la salinización de suelos debido a una mala gestión hídrica. La ingeniería primó en aquel entonces: si bien el método científico como tal es posterior y las causas últimas de las cosas se solían reducir a lo sobrenatural, obreros y técnicos afrontaron, a veces con éxito y otros resultando en fracaso, grandes empresas y desafíos. Las principales técnicas de elevación de agua de la antigüedad, de crítica importancia para la irrigación de terrenos a mayor altura, y con ello para la expansión agrícola incluyen la cuerda y el cubo,2 la polea,2 el cerd (el sistema de cuerda y cubo, impulsado por tracción animal),3 y el shaduf,4 todos ellos ya conocidos con anterioridad a la época helenística. Se suele remontar la mecánica de fluidos a Arquímedes de Siracusa, (287-212 adC) que escribió el primer tratado sobre el tema. Arquímedes fue un matemático, físico e ingeniero griego de la ciudad siciliana de Siracusa, conocido particularmente por sus inventos, muerto durante el Sitio de Siracusa por los romanos. Arquímedes escribió Hidrostática, el primer tratado científico sobre fluidos. También formuló, aunque no en su enunciado moderno, el principio de que la fuerza ejercida por líquido sobre un cuerpo sumergido depende del peso del líquido desalojado, hoy llamado Principio de Arquímedes en su honor. Todo cuerpo sumergido experimenta un empuje perpendicular y hacia arriba, en el centro de gravedad del fluido desplazado, igual al peso del líquido desalojado Arquímedes de Siracusa Una famosa anécdota atribuye este descubrimiento a un problema planteado por el tirano de Siracusa Hieron II, que quería comprobar la pureza de una aleación, supuestamente de oro, de una corona. Arquímedes, durante un baño, se percato de como su peso hacía subir el nivel del líquido y salió corriendo al grito de ¡Eureka! ("¡Lo he encontrado!"), pues el principio que acababa de observar permitía estudiar la densidad de un objeto y con ello la pureza de una aleación. Con este principio se resolvió el estudio de la flotación y se sentó la base de la fluidostática, el estudio del comportamiento y distribución de un fluido en reposo.

Enunció además que la diferencia de presiones en un fluido era causa de movimiento en el mismo. A día de hoy se conoce como número de Arquímedes al número adimensional que indica la proporción entre fuerzas gravitatorias y viscosas. Como ingeniero, además de otros mecanismos, inventó el tornillo sin fin, ingenioso mecanismo inicialmente pensado para elevar agua y fundamento de varios sistemas de bombeo actuales. Leonardo Da vinci (1452-1519) En 1502 fue nombrado Ingeniero militar por César Borgia. De 1506 a 1508 se dedica a el estudio de los elementos fluidos. Había ideado la idea de un barco submarino. Este barco dotado de ruedas con paletas, según lo concibió Leonardo, debería navegar a 50 millas por hora. Un mecanismo accionado con las manos pondría en movimiento las paletas que medirían 90 cm. de largo ? Galileo Galilei (1564-1642). Como estudiante, tuvo una mente inquisitiva y fama de disputado. Aquí usted trata de un líquido-termómetro según galileo galilei con un tanque cilíndrico, transparente hecho del cristal del borosilicato, que se llena de un líquido tal como agua , en la cual se contienen varios cuerpos flotantes, que tiene gravedades volumétricas diferentes de uno a y de tal modo dependiendo de la subida de la temperatura o se hunde. El hecho de que Galileo tuviera que abandonar la Universidad de Pisa resultó afortunado, pues obtuvo un empleo mejor pagado en la Universidad de Pasuda. Su vida fue feliz y productiva durante muchos años. Estableció un taller para fabricar instrumentos como brújulas magnéticas, termómetros y telescopios. También llegó a ser un experto en la construcción de fortificadores militares. Historia de los avances de la mecánica de fluido en América Periodo clásico o de las altas culturas urbanas Se desarrolló en nuestra era cristiana, entre el 300 y el 1000. Solamente en unos pocos pueblos de Mesoamérica, Perú y Bolivia. La agricultura intensiva, o sea, con sistemas de regadío para llevar la humedad a zonas secas. Los mayas Llama poderosamente la atención que una cultura que logró tantos adelantos científicos fue muy pobre en su tecnología, pues los mayas nunca conocieron el regadío ni el sistema de cultivos en terraza que tuvieron los aztecas e incas. La escasez de agua fue el gran problema de esta cultura, pues aún en el período clásico cuando vivían en las selvas era difícil retener el agua para los tiempos de sequías. Para resolver el problema abrieron pozos (cenotes) donde podían depositar las aguas de lluvia o donde había aguas subterráneas, pero nunca fueron capaces de construir acequias. Los Aztecas Ellos desarrollaron un sistema de regadío debido a la agricultura. En las regiones bajas y húmedas se abonaban las tierras quemando previamente los árboles, pero en las tierras secas y frías se utilizaba el sistema de regadío por medio de acequias aunque sus técnicas de riego eran muy pobres. Los Incas Ellos desarrollaron sus sistemas de regadío mejor que los dos grupos anteriores debido a la ganadería. Su sistema de regadío empleaba acequias de piedras perfectamente construidas. Sorprendentemente que este pueblo capaz de una organización tan efectiva y de un sistema de regadío tan avanzado fuera incapaz de grandes creaciones tipo intelectual. Las obras hidráulicas entre México e incas Nuestros aborígenes no se limitaban a usar el agua desde el punto de vista ceremonial.

Ella era también determinante para el éxito de su vida económica y social, por tratarse de sociedades en las cuales la agricultura tenía un peso determinante. Por eso hay que mencionar que las técnicas que se han usado en nuestro continente para poder aprovechar el agua, desde hace cientos de años, incluyen la captación, la transmisión, la reserva y la distribución del agua de los ríos, lagos o lluvias, para uso del hombre y los animales domésticos, así como para el riego de los terrenos agrícolas, mediante diversos métodos, tales como pozos, represas y canales. La primera represa hidráulica que se conoce en México, la presa Mequitongo, situada en el valle de Tehuacán, parece haberse construido en el año 700 a.C. La superficie cubierta por esa represa se ha calculado en 2.38 hectáreas, y el volumen de agua retenida en unos 37,000 metros cúbicos. Poco tiempo después fue ampliada, para que contuviera un 1,437,000 metros cúbicos. En cuanto al valle de Teotihuacán, en el año 100 a.C. existía un sistema de canales, tanto para riego como para control del agua de lluvia. Ya en el año 100 de nuestra era se construyeron canales primarios y secundarios; y un gran número de represas para el almacenamiento, control y distribución de agua. También se construyeron diques para desviar las aguas de los ríos y aprovecharlas, conducidas por canales, en terrenos situados a la orilla de los cauces. En fases posteriores, se utilizaron abundantes depósitos de agua, incluso algunos pozos realizados con muros de piedra, en la zona de Tlaxcala. Cerca del año 700 de nuestra era, se construyó el acueducto Xiquila, en la zona de Tehuacán, para hacer el cual hubo que elaborar una plataforma o terraza donde colocar el canal, para lograr la pendiente requerida. Los muros de la terraza alcanzan hasta tres metros, y se encuentran situados a alturas diversas sobre el cauce del río, desde los cuatro hasta los doce metros. Se utilizaba, asimismo, una gran red de canales, de hasta siete kilómetros de longitud, que se originaban en manantiales de agua permanente, y se ramificaban para irrigar amplios terrenos. Todas esas obras de ingeniería hidráulica pre-hispánica (diques, represas, sistema de canales, acueductos, etc.) permitían el mejor rendimiento de los cultivos. Se trataba de procesos tendientes tanto a evitar la erosión, como a irrigar la tierra cultivable. Cuando los españoles llegaron a México, la belleza de Tenochtitlán y Tlatelolco les causó un fuerte impacto. En la detallada y admirada descripción de los cronistas, sobresale la mención al acueducto construido en época de Moctezuma I, apodado Ilhuicamina, El Iracundo. Entre las medidas sanitarias que ese gobernante dictó en beneficio de su pueblo, estuvo esa obra hidráulica, de más de tres millas de longitud, que iba desde Chapultepec y llevaba agua dulce hasta la ciudad, así como los puentes que había cada cierto trecho, en las tres calzadas principales, que dejaban que el agua fluyera de un lado a otro del lago. Había también en el México antiguo fuentes públicas, en donde las mujeres podían recoger agua para sus hogares. Moctezuma I ordenó, asimismo, la construcción de un gran dique en el perímetro oriental de la capital, para evitar el desbordamiento de los lagos en la época de las lluvias. Si pasamos la mirada por la historia de los pueblos incaicos, descubriremos que efectuaban diversas actividades rituales para provocar la caída de las lluvias, en las secas punas de los Andes Centrales y en las desérticas tierras de la costa. Esos pueblos también hacían complejos drenajes, tanto en los valles costeros como en los de las montañas, para proteger los cultivos de las lluvias torrenciales y de las inundaciones. Esas zanjas llegaban a tener hasta dos metros de alto por veinticinco de ancho y quinientos de largo. Sus funciones eran de avenamiento de subsuelo, drenaje, riego, piscicultura y fuente de nutrientes para el terreno.

II.

También construían los incas unas hondonadas o depresiones artificiales, llamadas cochas, que se abrían en el terreno para acumular el agua de las lluvias, en las zonas de las tierras altas. Algunas de ellas tenían cincuenta metros de diámetro por dos, tres y hasta cuatro de profundidad. Entre varias de estas cochas había canales para alimentarlas de agua según la necesidad. La siembra la realizaban en sus orillas, que por estar siempre mojadas resultaban más fértiles que los otros terrenos de las mesetas. En la costa de lo que hoy es Ecuador, por otra parte, algunos pueblos vivieron en suelos secos, con un régimen escaso de lluvias, de modo que desarrollaron importantes tecnologías para obtener agua para el consumo humano y para asegurar sus cosechas Para el final del siglo XV y comienzos del siglo XVI hubo consecuencias indelebles debido a el descubrimiento por parte de los europeos de un nuevo continente, y éstas fueron: las ciencias avanzaron: la geografía y la cartografía por el conocimiento de continentes y océanos, la comprobación de que la Tierra es esférica, la rectificación de límites, accidentes y cálculos equivocados que se tenían; las técnicas de navegación se superaron haciendo posible los viajes oceánicos con más seguridad. Propiedades de los fluidos a) Densidad La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia

Por consiguiente, utilizando la letra griega p para la densidad En donde V es el volumen de la sustancia cuya masa es m. Las unidades de densidad son kilogramos por metro cúbico en el Sistema Internacional (SI) y slugs por pie cúbico en el Sistema Británico de Unidades. La Sociedad Norteamericana para Pruebas y Materiales (ASTM [American Societv for Testing and Materials]) ha publicado varios métodos estándar de prueba para medir densidad, que describen recipientes cuya capacidad se conoce exactamente, llamados picnómetros. En estas normas se determina la forma apropiada de llenar, manejar, controlar la temperatura y hacer lecturas en estos dispositivos. Dos de ellos son el picnómetro de Bingham y el picnómetro bícapilar de Lipkin. Las normas también exigen la determinación precisa de la masa de los fluidos que se encuentran en los picnómetros al 0.1 Mg. más cercano, utilizando una balanza analítica. b) Peso especifico Se llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Su expresión de cálculo es:

siendo =el peso específico; =el peso de la sustancia; =el volumen de la sustancia; =la densidad de la sustancia; =la masa de la sustancia. =la aceleración de la gravedad. Unidades En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se expresa en newtons por metro cúbico: N/m3. En el Sistema Técnico se mide en kilogramos–fuerza por metro cúbico: kgf/m3. En el SIMELA se expresa en newtons por metro cúbico: N/m3. Como el kilogramo–fuerza representa el peso de un kilogramo —en la Tierra—, el valor numérico de esta magnitud, expresada en kgf/m3, es el mismo que el de la densidad, expresada en kg/m3.

Por ende, está íntimamente ligado al concepto de densidad, que es de uso fácil en unidades terrestres, aunque confuso según el SI. Como consecuencia de ello, su uso está muy limitado. Incluso, en física resulta incorrecto.[cita requerida] Normativa internacional Aplicado a una magnitud física, el término específico significa «por unidad de masa».1 En el contexto del Sistema Internacional de Unidades no se permiten otros usos del término «específico». De acuerdo con la normativa del «Bureau International des Poids et Mesures», la inaceptabilidad de la expresión peso específico se basa en que su significado sería peso por unidad de masa, esto es newtons por kilogramo (N/kg), en tanto que el erróneamente asignado es el de «peso por unidad de volumen», o sea newtons por metro cúbico (N/m3). Su denominación correcta sería «densidad de peso». c) Presión hidrostática Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes y el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación

que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura del líquido con referencia del punto del que se mida. Se calcula mediante la siguiente expresión:

Donde, usando unidades del SI, =La presión hidrostática (en pascales); =La densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico); =La aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado); =La altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior =La Presión atmosférica (en pascales) d) Variación de la presión en el interior de un fluido