Conceptos y Aplicaciones de la Mecánica de Fluidos en Ingeniería

Hidrodinámica

1. La hidrodinámica estudia:
   • Las leyes que rigen el movimiento de los fluidos considerando las fuerzas que lo originan.
   • El movimiento del agua desde un punto de vista dinámico.
2. Las ecuaciones de Navier-Stokes permiten estudiar:
   • El comportamiento dinámico de fluidos reales.
   • El comportamiento dinámico de fluidos perfectos.
   • El comportamiento estático de fluidos perfectos.
3. En una masa de agua en movimiento, la carga hidráulica total es: H = P/v + z + U²/2g
4. El teorema de Bernoulli puede deducirse a partir de:
   • Ecuación de Navier-Stokes.
   • Ecuación de Euler.
5. En un fluido real se cumple el principio de conservación de la energía según la expresión: H₁ - H₀ = h_f, siendo H₁ y H₀ las cargas hidráulicas totales en los puntos 1 y 0, y h_f las pérdidas de carga.
6. Mediante el método unidimensional de análisis se identifica el comportamiento de una corriente con el de:
   • Con el filamento fluido que pasa por el eje hidráulico.
   • Con el filamento fluido que pasa por los puntos representativos de cada sección.
7. La generalización o extensión del teorema de Bernoulli:
   • Aplica el teorema de Bernoulli a toda la corriente fluida.
   • Implica la utilización del método unidimensional de análisis.
   • Estima la carga hidráulica de la corriente: z + P/γ + αU²/2g (U velocidad media y α coeficiente de Coriolis).
8. La ecuación global de Euler se aplica:
   • En régimen permanente.
   • En fluidos perfectos.
9. El teorema de Bernoulli generalizado se puede aplicar en régimen permanente y fluido perfecto.
10. El principio de conservación de la energía y la ecuación de continuidad siempre se aplican de forma combinada en la resolución de problemas reales.

Propiedades de los Fluidos

1. El agua líquida es una sustancia que se deforma mediante esfuerzos tangenciales.
2. La densidad del agua depende del volumen que ocupa.
3. El peso específico de una sustancia es el peso por unidad de volumen.
4. La viscosidad de un fluido está relacionada con:
   • La reacción a la componente tangencial de las fuerzas de enlace.
   • Con la velocidad de deformación angular.
5. En los fluidos newtonianos la viscosidad depende de la reacción a la componente tangencial de las fuerzas de enlace, que es proporcional a la velocidad de deformación angular.
6. La presión en el seno de un fluido real o perfecto es:
   • Una magnitud escalar.
   • Una magnitud que depende de la ubicación del punto de medida en el seno de la masa fluida.
7. El agua puede considerarse como fluido incompresible por el alto valor de su coeficiente de elasticidad volumétrico.
8. La energía superficial del agua depende de:
   • La cohesión molecular y la adhesión entre las moléculas del agua y las del medio exterior.
   • La temperatura.
9. Si la diferencia entre la presión en el interior de una gota de agua en una pipeta y la presión atmosférica es mayor, el agua sale de la pipeta.
10. Las magnitudes fundamentales son longitud, masa y tiempo.

Cinemática de Fluidos

1. La cinemática de fluidos estudia:
   • Las variables cinemáticas que caracterizan el movimiento del agua.
   • El movimiento del agua sin tener en cuenta las fuerzas que lo originan.
2. Las variables de Euler son: U = dx/dt, las componentes del vector velocidad en el punto cuyo vector de posición es r.
3. Línea de corriente es una línea ficticia tangente al vector velocidad en cada punto.
4. Una corriente libre es:
   • Una corriente que presenta una superficie libre en contacto con la atmósfera.
   • Una corriente que circula sometida a la presión atmosférica.
   • La corriente que circula por un canal abierto.
5. Una corriente forzada es una corriente que circula sometida a una presión superior a la atmosférica.
6. El desagüe de fondo de un gran embalse mediante una tubería de forma tronco-cónica es un movimiento permanente y variado.
7. El movimiento turbulento permanente se caracteriza por: la variación con respecto al tiempo de la velocidad media de la corriente es nula, aunque la velocidad de cada partícula varíe con el tiempo (en magnitud y dirección).
8. El movimiento laminar de una corriente de agua se observa en el movimiento del agua en el interior del suelo.
9. Se define caudal como:
   • El volumen de agua que atraviesa una sección transversal en una unidad de tiempo.
   • La cantidad de agua, medida volumétricamente, que atraviesa una sección transversal de un río durante un cierto periodo de tiempo.
10. El principio de conservación de la masa puede aplicarse mediante las siguientes expresiones:
    • ∂(ρU)/∂s + ∂(ρ)/∂t = 0 (Movimiento permanente y uniforme).
    • ∂(ρU)/∂s + ∂(ρ)/∂t = 0 (Cualquier tipo de movimiento).

Hidrometría

1. El objetivo de la hidrometría es medir la cantidad de agua que transporta una corriente.
2. Para medir caudales se pueden utilizar:
   • Caudalímetros electromagnéticos.
   • Vertederos en pared delgada.
   • Venturi.
3. La velocidad de una corriente en régimen permanente se puede medir con:
   • Venturi.
   • Tubo de Pitot.
4. Las ecuaciones de gasto de los vertederos en pared delgada (rectangular y triangular) pueden deducirse de:
   • El teorema de Bernoulli.
   • Análisis dimensional.
5. La semejanza hidráulica permite utilizar la misma curva de coeficiente de gasto para Venturímetros con la misma relación de diámetros.
6. Las expresiones siguientes representan:
   • La ecuación de gasto de un vertedero rectangular en pared delgada: Q.
   • La velocidad de una corriente medida con un tubo de Pitot: u = √h.
7. En dispositivos de aforo se consideran los efectos gravitatorios, geométricos, de pérdida de carga, etc., en el coeficiente de gasto.
8. Dispositivos para medir caudales en corrientes forzadas son:
   • Placa orificio.
   • Venturímetro.
9. Dispositivos para medir caudales en corrientes libres:
   • Sonda de Prandtl.
   • Vertedero triangular en pared delgada.
10. Para un ingeniero/a forestal es necesario conocer técnicas de aforo de corrientes:
    • En estudios ecológicos de ríos.
    • En actuaciones sobre torrentes.

Bombas Hidráulicas

1. Una bomba hidráulica es:
   • Una máquina que aporta energía a una corriente de agua.
   • Una máquina que puede transformar distintas energías (eléctrica, combustión, etc.) en energía hidráulica.
2. El rodete de una bomba sirve para:
   • Impulsar la corriente.
   • Para transmitir la potencia del eje de la bomba.
3. En una bomba axial el flujo:
   • Lo impulsa una hélice ubicada dentro de un cilindro.
   • Tiene la dirección del eje del motor.
4. En una bomba centrífuga:
   • El flujo describe una trayectoria circular.
   • El rodete es perpendicular al eje del motor.
5. Las curvas características de una bomba:
   • Para cada velocidad de giro son: Altura manométrica-Caudal, Potencia-Caudal y Rendimiento-Caudal.
   • Que recogen los catálogos comerciales describen su comportamiento hidráulico.
6. El rendimiento manométrico de una bomba es el cociente entre la altura manométrica, H_m, y la altura efectiva, H_e.
7. El rendimiento global de una bomba se calcula mediante:
   • El producto de todos los rendimientos involucrados (mecánico, volumétrico y manométrico).
   • El cociente entre la potencia manométrica, P_m, y la potencia del motor, P.
8. El caudal nominal de una bomba es el caudal correspondiente al valor máximo de la curva de rendimiento.
9. La curva característica de un sistema de distribución de agua a presión:
   • Representa la relación existente entre el caudal inyectado al sistema, Q, y la altura de energía, H.
   • Relaciona las necesidades de energía para salvar los obstáculos topográficos y las pérdidas de carga con el caudal inyectado en el sistema.
10. El punto de funcionamiento del conjunto sistema de impulsión-sistema de distribución es el punto de corte de las curvas características del sistema de impulsión y del sistema de distribución.

Pérdidas de Carga

1. La ecuación de Darcy-Weisbach es válida en régimen permanente y uniforme.
2. El factor de rozamiento f, de la ecuación de Darcy-Weisbach es función de la aspereza relativa de la conducción y del n.º de Reynolds.
3. En régimen laminar el factor f (Darcy-Weisbach) depende del n.º de Reynolds y del diámetro de la conducción.
4. En régimen hidráulicamente liso, el factor f (Darcy-Weisbach) depende del n.º de Reynolds.
5. En régimen turbulento de transición, el factor f (Darcy-Weisbach) depende de la aspereza relativa de la conducción y del n.º de Reynolds.
6. En régimen de turbulencia completa, el factor f (Darcy-Weisbach) depende de la aspereza relativa de la conducción.
7. El factor f (Darcy-Weisbach) puede calcularse, para tuberías comerciales, en régimen turbulento de transición mediante:
   • El diagrama de Moody.
   • La ecuación de Colebrook-White.
8. La ecuación empírica de Manning se aplica en: h_f = 10.3n²L/R^4/3, régimen permanente uniforme y turbulencia completa.
9. La ecuación empírica de Hazen-Williams se aplica en: h_f = 10.67C^-1.85L/D^4.87, régimen permanente uniforme y turbulento de transición.
10. Las pérdidas de carga debidas a elementos singulares (codos, válvulas, etc.):
    • Se calculan mediante h = K(U²/2g), donde K depende del tipo de singularidad.
    • Se consideran cuando superan el 5 % de las pérdidas en tuberías.

Análisis Dimensional y Semejanza Hidráulica

1. El análisis dimensional sirve para:
   • Simplificar el análisis de determinados problemas hidráulicos.
   • Para agrupar las variables de los problemas hidráulicos en monomios adimensionales.
2. El teorema Π de Vaschy-Buckingham:
   • Es el fundamento del análisis dimensional.
   • Es una herramienta para deducir ecuaciones de mecánica de fluidos.
3. El número de Froude representa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de peso.
4. La ecuación general de la hidráulica es una expresión de la velocidad en la que intervienen, entre otros parámetros, los n.º de Reynolds y Froude.
5. La semejanza hidráulica permite:
   • Estudiar problemas hidráulicos en el laboratorio y extrapolar los resultados a casos reales.
   • Trasladar resultados experimentales obtenidos en laboratorio a la realidad.
6. La pendiente motriz I representa:
   • Las pérdidas de carga por unidad de longitud que tiene una corriente de un fluido real.
   • El cociente entre la diferencia de cargas hidráulicas existente entre dos puntos de una corriente líquida real y la distancia entre ambos.
7. La existencia de régimen laminar se detecta mediante el n.º de Reynolds.
8. La capa límite:
   • Es una delgada capa de fluido próxima al contorno donde tiene lugar toda la variación de velocidad.
   • Justifica los fenómenos de resistencia al movimiento de cuerpos en fluidos poco viscosos (agua, aire).
9. El régimen turbulento se debe a que:
   • Las fuerzas de inercia son mayores que las viscosas.
   • Se originan perturbaciones en la corriente que se propagan por la misma.
10. El experimento de Reynolds:
    • Permite provocar un régimen laminar o turbulento según el grado de apertura del grifo de desagüe.
    • Permite medir las pérdidas de energía generadas en régimen laminar o en régimen turbulento.

Estática de Fluidos

1. La estática de fluidos estudia las leyes que rigen el equilibrio estático de los fluidos.
2. La ecuación dP/dx_i = ρX_i representa:
   • Ecuación fundamental de la estática de fluidos.
   • El equilibrio de fuerzas sobre una masa fluida en reposo.
3. Presión relativa es la presión en cualquier punto de una masa fluida en relación con la presión atmosférica como referencia.
4. Las presiones en el seno de un fluido se miden con:
   • Manómetros analógicos.
   • Piezómetros.
   • Manómetros digitales.
5. Los fluidos más pesados que el agua se usan para medir presiones importantes cuando se utilizan tubos piezométricos.
6. Altura piezométrica de cada punto es:
   • Constante en una masa fluida en equilibrio estático.
   • Es la suma de la cota del punto y del cociente entre la presión en el punto y el peso específico del fluido en equilibrio estático.
7. El principio de Pascal es:
   • El fundamento de la prensa hidráulica.
   • Una aplicación directa de la ecuación fundamental de la estática de fluidos.
   • El fundamento de los circuitos oleohidráulicos de numerosas máquinas e instalaciones.
8. Una presión negativa:
   • Permite el ascenso de un fluido en una pipeta en contra de la gravedad.
   • Es una presión inferior a la atmosférica.
9. La presión se puede medir en:
   • kgf/cm².
   • Atmósferas.
10. En una superficie plana sumergida en el interior de una masa fluida en reposo, el centro de empuje está por debajo del de gravedad.