Conceptos Clave de Mecánica de Fluidos: Definiciones y Aplicaciones

1. Definiciones Fundamentales en Mecánica de Fluidos

(a) Líneas de Traza

Las líneas de traza representan la curva que, en cada instante, está formada por las posiciones de las partículas que pasaron previamente por un punto determinado. Cada una de esas partículas pasó por el punto P en un tiempo t diferente y describe una trayectoria. En un instante t posterior, la unión de las posiciones de esas partículas es la línea de traza en ese instante. Las líneas de traza solo coinciden con las trayectorias de las partículas y con las líneas de corriente si el flujo es estacionario.

(b) Centro de Presiones

El centro de presiones es un punto en una superficie sumergida donde, si se aplicara la resultante de todas las fuerzas de presión estática ejercidas sobre la superficie, el efecto sería el mismo que el de todas esas fuerzas. Podríamos, por tanto, sustituirlas todas por una única fuerza aplicada en el centro de presiones.

(c) Centro de Flotación

El centro de flotación es el centro geométrico del volumen sumergido, es decir, el centro de masas de la parte sumergida como si esta fuera homogénea. Si se considera aplicada en ese punto la resultante de las fuerzas de presión estática que actúan sobre la superficie sumergida del cuerpo, el efecto sería el mismo y, por ello, podemos sustituirlas por una única fuerza de flotación aplicada sobre el centro de flotación.

2. Número de Reynolds y su Significado

En términos de las fuerzas que actúan sobre una partícula de fluido, un flujo tiene un bajo número de Reynolds cuando las fuerzas viscosas dominan sobre las fuerzas de inercia. El número de Reynolds es un número adimensional que indica la importancia relativa de las fuerzas de inercia respecto de las viscosas. Si el número de Reynolds es bajo, las fuerzas viscosas son predominantes en el movimiento del fluido.

3. Conceptos Adicionales en Mecánica de Fluidos

Capa Límite

Cuando un fluido se mueve cerca de una pared sólida, los efectos viscosos afectan a una capa de fluido de espesor "y". Esta capa, afectada por los efectos de la viscosidad, recibe el nombre de capa límite. Dentro de ella, la velocidad media del fluido disminuye respecto de su valor inicial; fuera de ella, los efectos viscosos son inapreciables, por lo que se puede considerar que es un fluido ideal.

Fluido Newtoniano

Un fluido newtoniano es aquel en el que su deformación es proporcional al esfuerzo cortante aplicado. La constante de proporcionalidad se denomina viscosidad. En un fluido newtoniano, el perfil de velocidades es lineal.

Significado del Número de Reynolds

El número de Reynolds indica el cociente entre la fuerza total y la fuerza viscosa. En conductos, indica cuándo el régimen es laminar o turbulento.

Condición de Flotabilidad

Para que un cuerpo homogéneo flote en el agua, el empuje debe ser mayor o igual que el peso. Esto equivale a decir que la densidad del cuerpo debe ser menor o igual que la densidad del agua.

Monomio π

Un monomio π es una expresión adimensional de la forma:

π = X₁^a * X₂^b * ... * X_n^m

que relaciona un número de variables entre sí, de tal manera que el producto es adimensional. El teorema π de Buckingham establece el número de monomios π independientes que son necesarios para analizar un fenómeno.