¿QUIENES SOMOS?

Nuestros nombres son Ana Carolina Tovar y Jose Daniel Durán, somos físicos teóricos y estudiantes del colegio San Bonifacio de las Lanzas, ubicado en Ibagué, Colombia. El propósito de este blog es informar y exponer de manera sencilla y eficaz conceptos a cerca de la física enfocada a la mecánica de fluidos.

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El comprender y aplicar los principios fundamentales que brinda la mecánica de fluidos para su posterior aplicación en procesos reales, como el flujo en tuberías de sustancias fluidas dentro de un proceso industrial, medición de presión y caudal, por otro lado explicar el por qué y cómo son capaces de flotar los submarinos.

INTRODUCCIÓN

La física es una ciencia natural que se encarga de explicar los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Ella se vale de conceptos para responder al porqué del comportamiento de determinados fenómenos. Entre estos conceptos se encuentra el de mecánica de fluidos, el cual tiene gran relevancia para explicar el porque flotan los barcos, o porque vuelan los aviones.

La mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.

CÓMO FUNCIONA UN SUBMARINO

Historia del submarino

El submarino como lo conocemos hoy fue inventado por Isaac Peral, un español que nació en Cartagena, España, en 1851 y murió en Berlín en 1895. Luchó en guerras y fue reconocido por su valentía. Gracias a esto se destacó entre los demás.

¿Qué es un submarino?

Se trata de un vehículo, tripulado o no, que se suele utilizar militarmente y que puede viajar debajo del agua a grandes profundidades sin sufrir ningún daño.

Debajo del agua se generan unas presiones que podrían aplastar un cráneo como si fuera una uva, esto hace que el submarino sea tan especial.

¿Cómo soporta tanta presión?

Primero hay que decir que el submarino, está construido de tal forma que la resistencia hidrodinámica sea la mínima posible y deslizarse más rápidamente.

Su "piel" está formada por varias capas, o cascos. Se componen por dos cilindros de de titanio, aunque en principio eran de acero y aleaciones de acero.

Para hacer que un submarino pueda sumergirse más, se tienen que engrosar los cascos, haciendo que pese aún más. Por eso se tiene que aligerar el peso de los componentes internos.

¿Cómo se sumerge y flota?

 Todos los barcos, así como los submarinos en superficie, están en situación de flotación positiva, pesando menos que el volumen equivalente de agua desplazada (de acuerdo con el principio de Arquímedes).

Para sumergirse hidrostáticamente (sin ayuda mecánica), un buque debe ganar flotación neutral (peso igual a empuje), bien incrementando su propio peso o disminuyendo el desplazamiento de agua (volumen).

Para controlar su peso, los submarinos están equipados con tanques de lastre, que pueden llenarse con agua tomada del exterior o aire a presión.

Para sumergirse o emerger, los submarinos usan los tanques de proa y popa, llamados tanques principales, que se abren y se llenan completamente de agua para sumergirse o se llenan de aire a presión para emerger. Durante la inmersión, los tanques principales suelen permanecer inundados.

La cantidad de agua en estos tanques puede controlarse tanto para responder a cambios en las condiciones exteriores como para cambiar la profundidad de inmersión.

Esto quiere decir que los submarinos dependen del peso externo del agua para poder hundirse, a mayor peso la fuerza de empuje tiene que ser mayor, en el momento en el que el peso supera la fuerza de empuje la maquina se hunde. 

En el momento de salir a la superficie, las bombas trasladan agua entre los tanques llenos de agua, cambiando la distribución del peso y creando así el giro del buque hacia arriba o hacia abajo.

PRINCIPIO DE PASCAL

Pascal planteó que la presión ejercida sobre un liquido confinado se transmite con la misma intensidad a todas las paredes donde se contiene.

La prensa hidráulica: es una aplicación del principio de Pascal, consta de 2 recipientes cilindricos de diferente área llenos de agua conectados entre sí. 

La presión es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular hacia una superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. Esta se mide en una unidad derivada llamada pascal (Pa) o baria (Ba) (10 Ba equivalen a un Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado (N/m²) y (Dinas/cm²).

Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Arquímedes planteó que los cuerpos sumergidos  recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja. 

De esto surge el concepto de flotabilidad, que es la perdida aparente de peso que tienen los objetos sumergidos en un liquido.

Fuerza de flotabilidad o empuje es una fuerza que aparece cuando los objetos están sumergidos en un liquido, de abajo hacia arriba y contraria al peso del cuerpo, de igual manera es una consecuencia del aumento de presión con profundidad. A mayor profundidad mayor presión.

La respectiva formula de empuje es: (DL . Vc . g)  DL = Densidad del liquido, Vc = Volumen del cuerpo

                                                                                  g = Gravedad

Volumen de agua desplazada, cuando se sumerge un objeto, éste desplaza agua cuyo volumen es igual al volumen del objeto.

También se plantea que no importa la forma del recipiente que contiene el liquido, lo que importa es su densidad y/o altura a la que se encuentre el liquido, como en la siguiente imagen

¿QUÉ ES UN FLUIDO?

Lo que define al fluido es su comportamiento y no su composición. Entre las propiedades que diferencian el estado de la materia, la que permite una mejor clasificaron sobre le punto de vista mecánico es la que dice la relación con la forma en que reacciona el material cuando se le aplica una fuerza.

Los fluidos reaccionan de una manera característica a las fuerzas. Si se compara lo que ocurre a un sólido y a un fluido cuando son sometidos a un esfuerzo de corte o tangencial se tienen reacciones características que se pueden verificar experimentalmente y que permiten diferenciarlos.

Con base al comportamiento que desarrollan los fluidos se definen de la siguiente manera: "Fluido es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando esta sometido a un esfuerzo de corte o tangencial". De esta definición se desprende que un fluido en reposo no soporta ningún esfuerzo de corte.

Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gasas. Sin embargo la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La mecánica de fluidos podría aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia antigua en origen y realizaciones, pero es más que eso, corresponde a un enfoque especial para estudiar el comportamiento de los líquidos y los gases.

Los principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos científicos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes teóricos a lo que se denomina hidrodinámica. También en el campo de hidráulica experimental hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente durante el siglo XIX.

Hacia finales del siglo XIX la hidrodinámica y la hidráulica experimental presentaban una cierta rivalidad. Por una parte, la hidrodinámica clásica aplicaba con rigurosidad principios matemáticos para modelar el comportamiento de los fluidos, para lo cual debía recurrir a simplificar las propiedades de estos. Así se hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran siempre aplicables a casos reales. Por otra parte, la hidráulica experimental acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar importancia a al formulación de una teoría rigurosa.

La Mecánica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo para unir estas dos tendencias: experimental y científica. Generalmente se reconoce como fundador de la mecánica de fluidos modela al alemán L. Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente joven ala cual aun hoy se están haciendo importantes contribuciones.

La referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la mecánica de fluidos como un estudio científico datan según sus investigaciones de la antigua Grecia en el año 420 a.C. hechos por Tales de Mileto y Anaximenes; que después continuarían los romanos y se siguiera continuando el estudio hasta el siglo XVII.

http://www.monografias.com/trabajos12/mecflui/mecflui.shtml#ixzz2fIj9sshv

MECÁNICA DE FLUIDOS

Existen 2 tipos de fluidos: gases y líquidos, siendo el aire y el agua los más comunes. En muchos aspectos de nuestra vida diaria está presente la mecánica de fluidos, como en el flujo de tuberías y canales, los movimientos del aire y de la sangre en el cuerpo, el movimiento de proyectiles, los chorros, las ondas de choque, etc.

Esta puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática,que se ocupa de fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de fluidos en movimiento.

El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica,o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de compresibilidad.

Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.

La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales:
1. La  hidrostática: que se ocupa de los fluidos en reposo.
2. La Hidrodinámica: que trata de los fluidos en movimiento. 
3. La Neumática: que se ocupa de los gases.

4. La Hidráulica: que estudia la aplicación de los fluídos a las actividades industriales.

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/estatica_fluidos/ap03_hidroestatica.php