¿Qué es la mecánica de fluidos y dónde se aplica?
El concepto de mecánica de fluidos puede sonar a algo antiguo proviniente de una ciencia remota, pero es más que eso: representa un enfoque particular del estudio de los líquidos y los gases.
Después de todo, el estudio y análisis de los datos de la mecánica de fluidos es la base de cualquier instalación o sustitución de equipos industriales.
Este campo específico de la física es indispensable para la puesta en marcha de procesos y equipos industriales.
En este artículo analizaremos la importancia de la mecánica de fluidos en la industria y cuáles son sus usos más conocidos.
¿Qué se entiende por mecánica de fluidos?
La mecánica de fluidos es una ciencia relacionada con la física que consiste en aplicar las leyes de la fuerza y el movimiento a los fluidos (gases y líquidos), y la posterior reacción de éstos.
En concreto, comprende dos subcategorías: la estática de fluidos (hidrostática), que es el estudio de los fluidos en fase de reposo, y la dinámica de fluidos, que es el estudio de los fluidos en movimiento.
El objetivo de la mecánica de fluidos es el de comprender el comportamiento de los fluidos bajo diversas fuerzas y en diferentes condiciones atmosféricas para seleccionar el fluido adecuado en sus diversas aplicaciones.
Las sustancias que fluyen se denominan fluidos. Todas las sustancias líquidas y gaseosas se consideran fluidos.
El conocimiento de la mecánica de fluidos es necesario para comprender la naturaleza del medio que fluye. Estos conocimientos nos ayudan sin duda a desarrollar nuevos dispositivos y procesos.
¿Qué es un fluido y cuál es su función en la industria?
Un fluido es un líquido o un gas con la propiedad de fluir en una determinada dirección al aplicarles una fuerza externa.
La principal diferencia entre un líquido y un gas es que el volumen de un líquido permanece definido porque toma la forma de la superficie de contacto, mientras que un gas ocupa todo el espacio disponible en el recipiente en el que se encuentra.
La función principal de cualquier líquido/gas que fluya de forma natural o inducida es la de transmitir energía en un sistema de energía fluida.
Por lo general, existen 3 métodos de transmisión de fuerza fluida en la industria: la mecánica, la eléctrica y la hidráulica.
Los fluidos que se utilizan en la industria están presentes en muchos procesos industriales. A parte de ser una fuente de energía se encargan de prolongar la vida útil de los equipos cuando actuan como lubricante, refrigerante, sellante, anticorrosivo, entre otras funciones.
¿Cuáles son las propiedades mecánicas de los fluidos?
El estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos se conoce como hidrostática. La presión que actúa sobre un líquido o un gas determina su volumen.
Como los líquidos tienen un volumen fijo, el cambio de volumen causado por los cambios de presión externa es mínimo. Los gases, en cambio, no son lo mismo porque no tienen un volumen definido.
Los fluidos contienen propiedades físicas que controlan la forma en que reaccionan a las fuerzas externas.
A pesar de que cada fluido es único en términos de composición y atributos específicos, hay varias propiedades que todos los fluidos comparten.
Estas cualidades pueden clasificarse de la siguiente manera
- Propiedades cinemáticas: Estas propiedades ayudan a comprender el movimiento de un fluido. La velocidad y la aceleración de los fluidos son propiedades cinemáticas.
- Propiedades termodinámicas: Estas características ayudan a determinar el estado termodinámico del fluido. Las propiedades termodinámicas de los fluidos son la temperatura, la densidad, la presión y la entalpía específica.
- Propiedades físicas: Las propiedades físicas ayudan a determinar el estado físico de cualquier fluido, como el color y el olor.
¿Cuáles son las características principales de los fluidos?
A partir de estas propiedades definidas en el punto anterior, podemos suponer que los líquidos son fluidos incompresibles y los gases fluidos compresibles.
Los líquidos sólo son compresibles cuando están sometidos a una gran presión, y la compresibilidad de los gases puede desestimarse cuando el cambio de presión es muy pequeño.
Las características importantes de los fluidos desde el punto de vista de la mecánica de fluidos son: la densidad, la presión, la viscosidad, la tensión superficial y la compresibilidad.
Vamos a analizar con detenimiento cada una de ellas.
Densidad
La masa por unidad de volumen de la materia se denomina densidad, que suele expresarse con el símbolo ρ.
La densidad de un gas cambia en función de la presión, pero la de un líquido puede considerarse constante a menos que los cambios de presión relevantes sean muy elevados.
La unidad de densidad es el kg/m3 (SI).
Presión
Un fluido siempre está sometido a una presión. La presión es la fuerza por unidad de superficie en un punto.
La presión normal que se experimenta en la superficie de la tierra se llama presión atmosférica y, en general, las presiones se miden en relación a la presión atmosférica local.
Estas presiones medidas se denominan presiones manométricas. La presión absoluta es la presión relativa a la de un vacío perfecto.
La unidad SI de presión es el Pascal (abrev. – Pa: Newton /m2 ).
Viscosidad
La viscosidad es una propiedad de un fluido que ofrece resistencia al flujo de una capa de un fluido sobre otra capa adyacente del fluido. En lenguaje sencillo, se define como la propiedad del fluido que ofrece resistencia al flujo.
La viscosidad de un fluido depende de:
- La fuerza de atracción entre las moléculas, que depende de su composición, tamaño y forma.
- La energía cinética de las moléculas, que depende de la temperatura.
Tensión superficial
La tensión superficial de un fluido es una fuerza que actúa principalmente para reducir la superficie de un líquido.
En otras palabras, la fuerza de contracción dirigida que atrae las moléculas de la superficie de un líquido hacia el interior del mismo es la tensión superficial.
La tensión superficial de los fluidos depende de la composición de la fase de vapor. A la postre, tiene muchas funciones importantes en la vida cotidiana y también en diversos procesos industriales.
Compresibilidad
La compresibilidad de un fluido es una medida del cambio de volumen relativo de un fluido en respuesta a un cambio de presión. Para una masa determinada de fluido, un aumento de la presión, Δp > 0, provocará una disminución del volumen, ΔV < 0.
En la mayoría de las aplicaciones, la compresibilidad de los líquidos puede despreciarse. Sin embargo, en los casos en que aparecen variaciones bruscas de presión, se originan ondas de presión. En estos casos, hay que tener en cuenta la compresibilidad.
¿Cuáles son los tipos de fluidos?
La forma de clasificar los fluidos viene determinada por la viscosidad y la compresibilidad. A continuación te detallamos los tipos de fluidos más conocidos.
Fluido newtoniano
Un fluido newtoniano es un fluido que obedece a la ley de viscosidad de Newton. Es un fluido viscoso en el que la tensión es directamente proporcional a la deformación.
La mayoría de los líquidos y gases conocidos son fluidos newtonianos.
Fluido no newtoniano
Un fluido no newtoniano no obedece a la ley de viscosidad de Newton. En este tipo, la tensión no es directamente proporcional a la deformación, por lo que la viscosidad no es constante.
Algunos ejemplos de fluidos no newtonianos son la mayoría de plásticos y fluidos viscoelásticos. La aplicación de una fuerza o tensión a estos fluidos modifica su viscosidad.
Fluido compresible
Un fluido compresible es aquel que experimenta una reducción de volumen o un cambio de densidad bajo presión.
Los gases y el plasma son fluidos compresibles.
Fluido incompresible
Un fluido incompresible no cambia su volumen en respuesta a los cambios de presión o velocidad de flujo.
En su mayor parte, los líquidos como el aceite y el agua son fluidos incompresibles.
Fluido ideal
El fluido que es incompresible y no tiene viscosidad ni rozamiento, se conoce como fluido ideal.
En el mundo real, el fluido ideal no existe.
Fluido real
Un fluido que tiene al menos cierta viscosidad se llama fluido real. En realidad, todos los fluidos existentes o presentes en el entorno se denominan fluidos reales, por ejemplo, el agua.
Aplicaciones de la mecánica de fluidos
Los fluidos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, a menudo desempeñando un papel crucial, sin el cual, estas aplicaciones no se podrían llevar a cabo.
Lo importante es que la mayoría de las aplicaciones de los fluidos son para la generación de diferentes formas de energía.
Veamos cuáles son sus aplicaciones más comunes.
Centrales hidroeléctricas
En las centrales hidroeléctricas se utiliza el agua para generar electricidad a gran escala. El agua almacenada en la presa posee energía potencial, que se convierte en energía eléctrica en la unidad de generación de energía de la planta.
Maquinaria hidráulica
La maquinaria que funciona con un fluido como el agua y el aceite se llaman máquinas hidráulicas. El fluido tiene la capacidad de levantar cargas pesadas y ejercer presiones extremadamente altas.
Algunas máquinas hidráulicas se utilizan para realizar diversas operaciones de mecanizado. En la mayoría de estas máquinas se utiliza aceite mineral como fluido.
El aceite pasa por el motor hidráulico, que transfiere grandes cantidades de energía al fluido. Este fluido de alta energía entra en la disposición del pistón y el cilindro, donde puede utilizarse para levantar cargas pesadas o aplicar grandes fuerzas.
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Automóviles
Ningún automóvil puede funcionar sin fluidos. Los fluidos realizan tres operaciones cruciales en los automóviles: generación de potencia, lubricación y refrigeración del motor.
La gasolina o el gasóleo generan energía en la combustión del motor. Esto se denomina comúnmente combustible.
El aceite se utiliza para la lubricación del motor y de la caja de cambios, así como de otras partes móviles del vehículo.
En los automóviles más grandes, como los coches, los autobuses y los camiones, se utiliza agua para refrigerar el motor.
Frigoríficos y aire acondicionado
Este es otro ámbito importante en el que los fluidos desempeñan un papel crucial. En los frigoríficos y aires acondicionados, los fluidos se conocen como refrigerantes.
El refrigerante absorbe el calor de lo que se mantiene en el refrigerador o evaporador, que está a baja temperatura, y entrega ese calor a la atmósfera, que está a alta temperatura.
En los aires acondicionados, el refrigerante absorbe el calor de la habitación y lo lanza a la atmósfera, manteniendo así la habitación fresca.
Centrales térmicas
En las centrales térmicas se utiliza el agua como fluido de trabajo. Tras calentarse en una caldera, el agua se convierte en vapor sobrecalentado que pasa a través de los álabes de las turbinas, haciéndolas girar.
El eje de la turbina gira en el generador, donde se produce la electricidad.
Centrales nucleares
El agua vuelve a ser un componente crucial de las centrales eléctricas. Aquí es tanto el fluido de trabajo como el refrigerante.
En algunas centrales nucleares, el calor producido dentro del reactor nuclear se utiliza para calentar directamente el agua, que se convierte en vapor. Este vapor se hace pasar por las turbinas de forma similar a las centrales térmicas, haciendo girar los álabes de las turbinas para generar energía.
Los fluidos como fuente de energía renovable
Hay varios fluidos que se utilizan como fuente de energía renovable. El aire o el viento es una de las fuentes de energía renovable más populares.
El viento se utiliza para generar electricidad tanto a pequeña como a gran escala.
El agua se utiliza en las centrales mareomotrices para generar electricidad a pequeña escala. Las olas del mar se utilizan para hacer girar las palas de la turbina dentro de la unidad de generación de energía.
El biodiésel, un tipo de aceite vegetal, se utiliza como combustible para vehículos junto con el gasóleo tradicional.
Funcionamiento de diversos instrumentos
El aire comprimido se utiliza para el funcionamiento de varios tipos de instrumentos y válvulas automáticas. Estas válvulas pueden activarse y desactivarse aplicando la presión del aire comprimido.
Las herramientas y sistemas neumáticos que funcionan con aire comprimido se utilizan para diversas aplicaciones, como lijar, atornillar y desatornillar diversas piezas de maquinaria, etc.
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