Mecánica de Fluidos: Una Introducción a la Física – Alexander J. Smits – 1ra Edición

PREFACIO

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Naturaleza de los fluidos
1.2 Esfuerzos en los fluidos
1.3 Presión
1.3.1 Presión: dirección de la acción
1.3.2 Fuerzas debidas a la presión
1.3.3 La presión es isotrópica
1.3.4 Esfuerzos globales y presión del fluido
1.3.5 Densidad y gravedad específica
1.3.6 Ley del gas ideal
1.3.7 Compresibilidad en los fluidos
1.3.8 Presión: su transmisión a través de un fluido
1.3.9 Prensas y elevadores hidráulicos
1.4 Esfuerzos viscosos
1.4.1 Esfuerzos viscosos cortantes
1.4.2 Consideraciones sobre energía y trabajo
1.4.3 Esfuerzos viscosos normales
1.4.4 Viscosidad
1.5 Mediciones de viscosidad
1.6 Capas límite
1.7 Flujos laminar y turbulento
1.8 Tensión superficial
1.8.1 Gotas y burbujas
1.8.2 Formación de meniscos
1.8.3 Capilaridad
1.9 Unidades y dimensiones
Problemas

CAPÍTULO 2
ESTÁTICA DE FLUIDOS
2.1 La ecuación de la hidrostática
2.2 Presión manométrica y presión absoluta
2.3 Aplicaciones de la ecuación hidrostática
2.3.1 Variación de la presión con la altura y la profundidad
2.3.2 Manómetros
2.3.3 Barómetros
2.4 Paredes verticales de anchura constante
2.4.1 Solución mediante presiones absolutas
2.4.2 Solución mediante presiones manométricas
2.4.3 Balance del momento
2.4.4 ¿Presión manométrica o presión absoluta?
2.5 Paredes inclinadas con anchura constante
2.5.1 Fuerza horizontal
2.5.2 Fuerza vertical
2.5.3 Fuerza resultante
2.5.4 Balance de momentos
2.6 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas
2.6.1 Fuerza resultante
2.6.2 Línea de acción
2.7 Superficies bidimensionales
2.8 Centros de presión, momentos de área
2.9 Principio de arquímedes
2.10 Estabilidad de cuerpos flotantes
2.11 Fluidos en movimiento de cuerpo rígido
2.11.1 Aceleración vertical
2.11.2 Aceleraciones vertical y horizontal
2.11.3 Rotación de cuerpo rígido
Problemas

CAPÍTULO 3
INTRODUCCIÓN AL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOS I
3.1 Introducción
3.2 Partículas de fluido y volúmenes de control
3.2.1 Sistema lagrangiano
3.2.2 Sistema euleriano
3.2.3 Elementos de fluido
3.2.4 Volúmenes de control grandes
3.2.5 Flujo en regímenes permanente y transitorio
3.3 Líneas de corriente y tubos de corriente
3.3.1 Líneas de corriente
3.3.2 Trayectoria
3.3.3 Líneas de emisión
3.3.4 Tubos de corriente
3.3.5 Líneas de tiempo
3.4 Dimensión de un campo de flujo
3.5 Conservación de la masa
3.6 Ecuación de la cantidad de movimiento
3.6.1 Fuerzas
3.6.2 Flujo unidireccional
3.6.3 Flujo bidireccional
3.7 Fuerzas viscosas y pérdidas de energía mecánica
Problemas

CAPÍTULO 4
INTRODUCCIÓN AL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOS II
4.1 Introducción
4.2 Ecuación de Bernoulli
4.2.1 Balance de fuerzas a lo largo de líneas de corriente
4.2.2 Balance de fuerzas en dirección normal a las líneas de corriente
4.3 Presión de estancamiento y presión dinámica
4.4 Variación de la presión y de la velocidad
4.5 Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli
4.5.1 Tubo de Pitot
4.5.2 Tubo de Venturi y atomizador
4.5.3 Sifón
4.6 Ecuación de Bernoulli y drenado de tanques
4.7 Ecuación de la energía
4.7.1 Primera ley de la termodinámica
4.7.2 Flujo unidimensional
4.7.3 Relación con la ecuación de Bernoulli
Problemas

CAPÍTULO 5
ECUACIONES DE MOVIMIENTO ENFORMA INTEGRAL
5.1 Flujo
5.2 Ecuación de continuidad
5.3 Ecuación de la cantidad de movimiento
5.3.1 Término transitorio
5.3.2 Término de flujo
5.3.3 Fuerza resultante
5.4 Teorema del transporte de reynolds
5.5 Ecuación de la energía
Problemas

CAPÍTULO 6
ECUACIONES DIFERENCIALES DEL MOVIMIENTO
6.1 Rapidez de cambio siguiendo una partícula de fluido
6.1.1 Aceleración en coordenadas cartesianas
6.1.2 Aceleración en coordenadas cilíndricas
6.2 Ecuación de continuidad
6.2.1 Formas particulares
6.3 Ecuación de la cantidad de movimiento
6.3.1 Ecuación de Euler en coordenadas cartesianas
6.3.2 Ecuación de Euler en coordenadas cilíndricas
6.3.3 Ecuaciones de Navier-Stokes
6.3.4 Condiciones de frontera
6.4 Aplicación al movimiento de cuerpo rígido
6.5 Flujo unidimensional transitorio
6.5.1 Ecuación de continuidad
6.5.2 Ecuación de la cantidad de movimiento
6.5.3 Ecuación de la energía
Problemas

CAPÍTULO 7
FLUJOS INCOMPRESIBLES IRROTACIONALES
7.1 Vorticidad y rotación
7.2 El potencial de velocidad 0
7.3 La función de corriente V
7.4 Flujos donde existen IP y 0 en forma simultánea
7.5 Resumen de definiciones y restricciones
7.6 Ejemplos de flujo potencial
7.6.1 Flujo uniforme
7.6.2 Fuente puntual
7.6.3 Vórtice potencial
7.7 E cuación de laplace
7.8 Fuente en un flujo uniforme
7.9 Flujo potencial sobre un cilindro
7.9.1 Distribución de la presión
7.9.2 Efectos viscosos
7.10 Sustentación
7.10.1 Efecto Magnus
7.10.2 Cuerpos aerodinámicos y alas
7.11 Interacciones de los vórtices
Problemas

CAPÍTULO 8
ANÁLISIS DIMENSIONAL
8.1 Homogeneidad dimensional
8.2 Aplicación de la homogeneidad dimensional
8.2.1 Ejemplo: Salto hidráulico
8.2.2 Ejemplo: Arrastre sobre una esfera
8.3 El número de grupos adimensionales
8.4 Problemas de adimensionalización
8.5 Ejemplo de flujo en tubos
8.6 Grupos adimensionales comunes
8.7 Adimensionalización de las ecuaciones
8.8 Modelos a escala
8.8.1 Semejanza geométrica
8.8.2 Semejanza cinemática
8.8.3 Semejanza dinámica
Problemas

CAPÍTULO 9
FLUJOS VISCOSOS INTERNOS
9.1 Introducción
9.2 Esfuerzos viscosos y número de reynolds
9.3 Capas límite y flujos completamente desarrolados
9.4 Transición y turbulencia
9.5 Flujo de poiseuille
9.5.1 Flujo completamente desarrollado en conductos
9.5.2 Flujo completamente desarrollado en tubos
9.6 Transición del flujo en tuberías
9.7 Flujo turbulento en tuberías
9.8 Ecuación de la energía para flujo en tuberías
9.8.1 Coeficiente de energía cinética
9.8.2 Pérdidas primarias y secundarias
9.9 Válvulas y grifos
9.10 Diámetro hidráulico
Problemas

CAPÍTULO 10
FLUJOS VISCOSOS EXTERNOS
10.1 Introducción
10.2 Capa límite laminar
10.2.1 Análisis de volumen de control
10.2.2 Solución por semejanza
10.3 Espesores de desplazamiento y de cantidad de movimiento
10.3.1 Espesor de desplazamiento
10.3.2 Espesor de cantidad de movimiento
10.3.3 Factor de forma
10.4 Capas límite turbulentas
10.5 Separación, readherencia y estelas
10.6 Arrastre en cuerpos romos y aerodinámicos
10.7 Pelotas de golf, cricket y beisbol
10.8 Campos de flujo en automóviles
Problemas

CAPÍTULO 11
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
11.1 Introducción
11.2 Ondas gravitatorias de amplitud pequeña
11.3 Número de froude
11.4 Rompimiento de ondas
11.5 Tsunamis
11.6 Saltos hidráulicos
11.7 ¿Caídas hidráulicas?
11.8 Rompientes y oleaje
11.9 Flujo a través de un estrechamiento suave
11.9.1 Flujo subcrítico en un estrechamiento
11.9.2 Flujo supercrítico en un estrechamiento
11.9.3 Flujo sobre tope
Resumen
Problemas

CAPÍTULO 12
FLUJO COMPRESIBLE
12.1 Introducción
12.2 Propagación de la presión en un fluido en movimiento
12.3 Regímenes de flujo
12.4 Termodinámica del flujo compresible
12.4.1 Relaciones del gas ideal
12.4.1.1 Calores específicos
12.4.1.2 Variaciones de la entropía
12.4.1.3 Relaciones del calor específico
12.4.2 Velocidad del sonido
12.4.3 Propiedades de estancamiento
12.5 Flujo compresible a través de una tobera
12.5.1 Análisis del flujo isentrópico
12.5.2 Razón de áreas
12.5.3 Flujo estrangulado
12.6 Ondas de choque normales
12.6.1 Razón de temperatura
12.6.2 Razón de densidades
12.6.3 Razón de números de Mach
12.6.4 Razón de presiones de estancamiento
12.6.5 Cambios de la entropía
12.6.6 Resumen: ondas de choque normales
12.7 Ondas de choque normales débiles
12.8 Ondas oblicuas
12.8.1 Relaciones de onda de choque oblicua
12.8.2 Desviación del flujo
12.8.3 Resumen de ondas de choque oblicuas
12.9 Ondas de choque oblicuas débiles y ondas de compresión
12.10 Ondas expansivas
12.11 Arrastre de onda en vehículos supersónicos
Problemas

CAPÍTULO 13
TURBOMÁQUINAS
13.1 Introducción
13.2 Ecuación de la cantidad de movimiento angular para una turbina
13.3 Diagramas de velocidad
13.4 Turbinas hidráulicas
13.4.1 Turbinas de impulso
13.4.2 Turbina de flujo radial
13.4.3 Turbina de flujo axial
13.5 Bombas
13.5.1 Bombas centrífugas
13.5.2 Cavitación
13.6 Mediciones del rendimiento relativo
13.7 Análisis dimensional
13.8 Hélices y molinos de viento
13.9 Generación de energía con el viento
Problemas

CAPÍTULO 14
MECÁNICA DE FLUIDOS Y MEDIOAMBIENTE
14.1 Flujos atmosféricos
14.2 Equilibrio de la atmósfera
14.3 Patrones circulatorios y efectos de Coriolis
14.4 Capa límite planetaria
14.5 Intensidad y dirección prevalecientes del viento
14.6 Contaminación atmosférica
14.7 Dispersión de contaminantes
14.8 Difusión y mezclado
Problemas

Capítulo 15
NOTAS HISTÓRICAS
15.1 Arquímedes de Siracusa
15.2 Leonardo da Vinci
15.3 Evangelista Torricelli
15.4 Blaise Pascal
15.5 Sir Isaac Newton
15.6 Daniel Bernoulli
15.7 Leonhard Euler
15.8 Jean le Rond D''Alembert
15.9 Joseph-Louis Lagrange
15.10 Claude Louis Marie Henri Navier
15.11 Jean L.M. Poiseuille
15.12 Gustav Heinrich Magnus
15.13 William Froude
15.14 George Gabriel Stokes
15.15 Ernst Mach
15.16 Osbome Reynolds
15.17 Ludwig Prandtl
15.18 Lewis Ferry Moody
15.19 Theodore Von Kármán
15.20 Geoffrey Ingram Taylor
Referencias bibliográficas

APÉNDICE A HERRAMIENTAS ANALÍTICAS
APÉNDICE B FACTORES DE CONVERSIÓN
APÉNDICE C PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Y DE FLUJOS
APÉNDICE D RECURSOS WEB
RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS
ÍNDICE