Sistemas de fluidos

Definición de sistemas de fluidos

En nuestra carrera educativa nos enseñan que existen tres estados de la materia: sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, es importante comprender que los líquidos y los gases se clasifican como fluidos. Los fluidos son sistemas de partículas que se mueven y cambian de posición con facilidad.

La fuerza se relaciona con la presión ejercida sobre un fluido mediante la ecuación, \( F=PA \), donde \(F\) es la fuerza, \( P \), es la presión, y \( A\) es el área. Intentemos un ejemplo rápido para reforzar nuestra comprensión.

Los sólidos, en cambio, tienen una forma distinta y responden a la segunda ley de Newton, \( F=ma\), donde \( F\) es la fuerza, \( m\) es la masa y \( a \) es la aceleración.

Tipos de sistemas de fluidos

Los fluidos se clasifican en cuatro categorías en función de determinadas propiedades. Estas categorías incluyen los fluidosideales, los fluidos reales, los fluidos newtonianos y los fluidos no newtonianos. Los fluidosidealesson incompresibles y tienen viscosidad cero. Incompresible se refiere a los fluidos cuyo volumen y densidad no cambian debido a la presión. La viscosidad se refiere a la fricción, porque la viscosidad causa resistencia al movimiento al provocar la presencia de fuerzas de cizallamiento o fricción entre las partículas. La ausencia de viscosidad indica que no hay fricción en un fluido ideal. Sin embargo, es importante señalar que este tipo de fluido no existe en la realidad. Los fluidosreales pueden ser compresibles, y la viscosidad está presente, lo que implica que hay fricción. Compresible se refiere a los fluidos cuyo volumen y densidad cambian debido a la presión. Ejemplos de fluidos reales son el aceite de ricino, la gasolina y el queroseno. Los fluidos newtonianos tienen una viscosidad constante en la que la viscosidad no se ve afectada por el esfuerzo cortante. Ejemplos comunes de fluidos newtonianos son el agua y el aire. Los fluidos no newtonianos tienen viscosidad variable, es decir, la viscosidad cambia con respecto al esfuerzo cortante. Ejemplos comunes de fluidos no newtonianos son las sales, la sangre, la pasta de dientes y el almidón de maíz.

Esfuerzo cortante

Cuando objetos paralelos se deslizan unos sobre otros, esta acción se conoce como cizallamiento. Este fenómeno se produce en los fluidos y provoca un esfuerzo cortante.

La tensión de cizallamiento es uno de los dos tipos de tensión que sufren los fluidos. En física, la tensión se refiere a una fuerza por unidad de superficie que actúa sobre una superficie infinitesimal. La tensión es una cantidad vectorial y se divide en tensión normal y tensión tangencial. La tensión normal incluye las presiones que actúan hacia dentro y perpendiculares a la superficie. La tensión tangencial incluye la tensión cortante. La razón principal por la que existe tensión cortante en los fluidos es la fricción debida a la viscosidad. Los fluidos no pueden resistir el esfuerzo cortante. Esto significa que cuando se aplica un esfuerzo cortante a un fluido en reposo, el fluido se mueve, ya que es incapaz de permanecer en reposo.

Componentes del sistema de fluidos

Los componentes que definen los fluidos, al igual que los sólidos, son moléculas microscópicas. El movimiento de estas moléculas determina el estado de la materia de una sustancia. En los sólidos, ladisposición delas partículas es fija debido a que no haysuficiente energíatérmica presente para superar las interacciones intermoleculares entre las partículas. Por tanto, los sólidos tienen una estructura más compacta porque las moléculas pueden vibrar pero no pueden moverse ni cambiar de posición con las moléculas vecinas. En consecuencia, los sólidos tienen forma y volumen definidos.

Fig.2 - Las moléculas de los sólidos están dispuestas en un patrón repetitivo y no pueden moverse libremente.

En cambio, los líquidos y los gases tienen una estructura más suelta. Los líquidos tienen una energía parcial que les permite superar las interacciones intermoleculares. Este hecho permite que las partículas se muevan libremente sin dejar de estar próximas entre sí. Loslíquidos tienen unvolumendefinido, pero no tienenforma.

Fig. 3- Las moléculas de un líquido permanecen próximas mientras se mueven.

Los gases, sin embargo,tienen energía suficiente para superar completamente las interacciones intermoleculares. Estosignificaque las partículas se separan completamente unas deotrasy se muevenlibremente. Por tanto, los gases no tienen forma ni volumen definidos.

Fig.4- Las moléculas de un gas se mueven libremente.

Importancia de los sistemas de fluidos

Para comprender la importancia de los sistemas de fluidos, veamos la hidráulica. La hidráulica es la aplicación práctica de los fluidos y utiliza la mecánica de fluidos como fundamento teórico. La mecánica de fluidos se centra en las fuerzas que surgen debido al comportamiento de los fluidos. La mecánica de fluidos se divide en dos partes: dinámica de fluidos y estática de fluidos. La estática defluidos es el estudio de los fluidos en reposo, mientras que la dinámica de fluidos es el estudio de los fluidos en movimiento. Los ingenieros hidráulicos aplican la mecánica de fluidos al agua que fluye dentro de tuberías, bombas o canales abiertos, es decir, lagos o ríos, así como a la contención del agua en presas o depósitos. Comprender la mecánica de fluidos permite a los ingenieros hidráulicos diseñar estructuras, y sistemas hidráulicos accionados por la presión de un fluido, que soporten una presión intensa. Por consiguiente, los ingenieros especializados en este campo se ocupan de las cuestiones técnicas que acompañan al diseño y la realización de infraestructuras de fluidos. Sin embargo, además de la infraestructura de fluidos, los ingenieros hidráulicos también diseñan maquinaria hidráulica. Al diseñar maquinaria hidráulica, deben seleccionar cuidadosamente el fluido hidráulico adecuado, un fluido que actúa como transmisor de energía, para garantizar que una máquina funcione con éxito.

Ejemplos de sistemas de fluidos

Los sistemas de fluidos utilizan la fuerza de los líquidos o gases que fluyen para transportar energía. Una forma fácil de entenderlo es pensar en el acto de respirar. Para que un fluido se mueva, es necesaria una diferencia de presión. Cada vez que respiramos, creamos zonas de alta y baja presión que permiten que el aire entre y salga de nuestros pulmones. Cuando inhalamos, realizamos un trabajo al expandir nuestras cavidades torácicas para crear una zona de baja presión dentro de nuestros pulmones. Fuera de los pulmones existe una zona de presión más alta, que empuja el aire hacia el interior de los pulmones. Al espirar, trabajamos para reducir el volumen pulmonar, lo que a su vez aumenta la presión del aire dentro de los pulmones y expulsa el aire. Ahora recuerda que la potencia y el trabajo estánrelacionados porque la potencia es el ritmo al que serealiza el trabajo. Así pues, el acto de respirar es un ejemplo de sistema fluido.