En la vida cotidiana encontramos numerosas aplicaciones de la mecánica de fluidos sin darnos cuenta. En este artículo describimos algunos ejemplos para mostrar la importancia que tienen los fluidos en la ingeniería mecánica y en nuestro día a día.
La mecánica de fluidos es un campo de la física que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento.
Un fluido es una sustancia que se puede deformar continuamente y que tiene una resistencia finita a la deformación. Dependiendo de sus propiedades podemos distinguir los siguientes tipos de fluidos:
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Fluidos compresibles e incompresibles
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Fluidos newtonianos y no newtonianos
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Fluidos ideales y reales.
Los problemas de mecánica de fluidos se resuelven mediante un conjunto de ecuaciones matemáticas tales como la ecuación de continuidad o el principio de Arquímedes que describen el comportamiento de los fluidos. Estas ecuaciones se derivan a partir de las leyes fundamentales de la física, como la ley de conservación de la masa, la cantidad de movimiento y la ley de conservación del momento.
Desde un punto de vista de la ingeniería mecánica, en ocasiones los cálculos para estudiar el movimiento de las partículas fluidas se combinan con técnicas de cálculo numérico. El resultado es lo que se conoce como dinámica de fluidos computacional.
Ejemplo 1: circulación sanguínea
La sangre es un ejemplo de partículas fluidas que se mueven por el interior de nuestro cuerpo. El aparato circulatorio es un ejemplo de mecánica de fluidos en el que los conceptos de presión, y densidad son esenciales para su buen funcionamiento.
El corazón actúa como una bomba que impulsa la sangre por el interior de las venas, arterias y capilares.
Ejemplo 2: un sistema de riego
La regulación de la presión y el caudal de agua en un sistema de riego es otro ejemplo de aplicación de la mecánica de fluidos. La mecánica de fluidos se usa para calcular el caudal y la presión necesarios para mover el agua a través del sistema.
En la mayoría de diseños de aspersores el movimiento oscilatorio depende de la presión del agua. El caudal y la presión también son elementos cruciales para definir el alcance del agua.
Ejemplo 3: ¿Por qué vuelan los aviones?
En un avión, las alas crean una fuerza llamada sustentación que levanta al avión y lo mantiene en el aire. La sustentación se produce cuando el flujo de aire se divide alrededor de las alas y se mueve más rápido sobre la parte superior de las alas que sobre la parte inferior. Esto crea una diferencia de presión entre la parte superior e inferior de las alas, lo que produce la sustentación de acuerdo con el principio de Bernouilli.
Ejemplo 4: Molinos de viento
La aerodinámica óptima de un molino de viento utilizado en una instalación de energía eólica se estudia mediante la mecánica de fluidos. El aire es un fluido en movimiento que, dependiendo de cómo se realiza el impacto con las aspas del aerogenerador, varía el rendimiento y la obtención de la energía eléctrica generada.
Ejemplo 5: ¿Por qué vuela un globo aerostático?
Un globo aerostático se eleva porque el aire alrededor del globo tiene más densidad que el gas dentro del globo. La densidad es la masa por unidad de volumen, en este caso el aire exterior es más pesado que el aire en el interior del globo que tiende a subir.
El aire caliente dentro del globo ejerce una presión hacia afuera sobre las paredes del globo, y esta presión es mayor que la fuerza gravitacional que está tirando hacia abajo del globo.
La diferencia de presión es lo que le permite al globo mantenerse en el aire.
Ejemplo 6: El circuito hidráulico de una central nuclear
El diseño de una central nuclear está repleto de sistemas hidráulicos para controlar el accionamiento de válvulas, compuertas y mecanismos para, por ejemplo, accionar las barras de control dentro del reactor nuclear.
El objetivo de una central nuclear es generar electricidad a partir del calor obtenido mediante una reacción de fisión nuclear. El calor obtenido en el reactor nuclear se utiliza para calentar un fluido y generar vapor, que es otro tipo de fluido. El vapor entra a la turbina a alta presión y velocidad, y se expande a través de las paletas de la turbina. Esto hace que las paletas giren, lo cual produce energía mecánica.
El estudio de las ecuaciones diferenciales de un fluido permiten diseñar turbinas más eficientes y circuitos adecuados para soportar estas condiciones de presión y temperatura.
Ejemplo 7: Una central hidráulica
Una central hidráulica es una obra de ingeniería civil en la que se almacena agua para accionar un conjunto de turbinas y generar electricidad.
En este ejemplo de mecánica de fluidos se aplica tanto la estática como la dinámica de fluidos.
El estudio físico de la estática de fluidos es necesario para calcular el dimensionamiento de la presa de agua para resistir la presión del agua. Por otro lado, para calcular el dimensionamiento y el rendimiento de las turbinas hidráulicas, debemos tener en cuenta las ecuaciones que regulan el movimiento de los fluidos tales como la ecuación de Bernoulli o las ecuaciones de Navier-Stokes.