En primer lugar mis saludos respetuosos para toda la comunidad académica y científica de steemit, en especial a #cervantes, #proconocimiento y #entropia, en esta oportunidad les hablaré de algunos aspectos fundamentales de la mecánica de los fluidos, la cual, nos proporciona las herramientas necesarias para el entendimiento de los distintos flujos o movimientos de fluidos que forman parte de nosotros y nuestro entorno.

Esta parte de la ciencia es la que se encarga de los análisis de los distintos fluidos en movimiento, es decir, la fluidodinámica, y cuando los mismos permanecen en reposo la fluidoestática, es importante resaltar para tener presente, que tanto los gases como los líquidos los podemos considerar como fluidos, por lo que permite que la mecánica de fluido tenga una inmensa capacidad de aplicaciones en innumerables actividades relacionada tanto con el ser humano como en el entorno en donde se desenvuelve, es decir, el medio ambiente, por lo tanto, influye en el estudio de nuestro flujo sanguíneo, respiración, turbinas, aviones, molinos de vientos, tuberías, entre tantas otros más, debido a que podemos expresar que casi en su totalidad las cosas que se encuentra en nuestro universo son un fluido o si no se mueven inmersas o cercano a un fluido.

La mecánica de fluidos mediante la realización de sus estudios se fundamenta entre la teoría y experimentación, y es aquí la clave del éxito de esta parte de la mecánica, poder, combinar las actividades antes descritas para lograr el entendimiento de cualquier tipo de fluido al moverse o fluir de un espacio a otro, esta característica lo apropia de un conjunto de leyes de conservación bien estructuradas, ya que a pesar de dar un tratamiento teórico minucioso a un determinando estudio, también es posible que dicha teoría resulte ser frustrante al momento de ponerlas en práctica, debido a ciertas idealizaciones que difícilmente tengan cabida en el hecho práctico, en donde, encontramos que para el análisis teórico tenemos dos dificultades los cuales son la geometría y la viscosidad, esto hace que la teoría de manera general del movimiento de un fluido sea difícil para poder afrontar arreglos geométricos arbitrarios, por tanto, en general vemos estudios o análisis desde el punto de vista de placas planas, también utilizando conductos circulares, es decir, estructuras geométricas las más sencillas o prácticas posibles.

Pero para la interpretación teórica es importante como ya expresamos tener en cuenta también la dificultad que representa la acción de la viscosidad, la cual, podríamos despreciarlas en aquellos sistemas cuyo flujo de algún fluido sea idealizado, ya que cuando tomamos en cuenta tal acción de la viscosidad la misma aumentará la dificultad de las distintas ecuaciones básicas para dicho análisis, sin embargo, gracias a Ludwig Prandtl con su aproximación de capa limite en 1904, hemos logrado reducir o simplificar considerablemente el difícil análisis de aquellos fluidos viscosos. Ya que sin dudas la viscosidad perturba a la estabilidad de cualquier tipo de flujo, exceptuando lo que a una velocidad muy reducida pude dar origen a un fenómeno desarreglado y fortuito al cual conocemos como turbulencia.

Por lo tanto, podemos decir que contamos con una teoría para poder analizar el flujo de cualquier fluido, pero que siempre debemos soportarlos con actividades experimentales, ya que generalmente a través de estos últimos obtenemos información precisa sobre determinados flujos de fluidos, como se ha comprobado para el caso de la resistencia y la sustentación de cuerpos, gracias a que la mecánica de los fluido posee la característica de ser visible, podemos contar con buena instrumentación, así como el uso de estudios dimensionales y de modelos a escalas, de esta manera la actividad experimental nos proporciona un real complemento natural y fácil para fortalecer la teoría sobre el análisis sobre cualquier tipo de flujo de fluidos, por lo que es preciso determinar que para el éxito de un análisis desde el punto de vista de la mecánica de fluidos es necesario contar con el aspecto tanto teórico como experimental.

Para poder describir este aspecto lo haremos desde el punto de vista de la mecánica de fluidos, la cual, desde su interpretación la materia la podemos encontrar en dos estados, es decir, sólido y fluido (líquido y gas), en donde, fácilmente podemos determinar la diferencia entre ambos estados, por lo tanto, es posible apoyarnos en la apreciación técnica, la cual, relaciona a dichos estados con un esfuerzo tangencial o cortante, por lo tanto, podemos expresar que en un sólido observaremos la resistir a la acción de un esfuerzo cortante con una tergiversación estática de su forma, en cuanto, en un fluido no, ya que al aplicar algún esfuerzo tangencial sin importar cuán ínfimo sea, el mismo estimulará el movimiento de dicho fluido, por lo tanto, éste se moverá y se irá deformando consecutivamente a medida que sigamos aplicándole el esfuerzo mencionado. Entones, debemos manifestar que cuando estamos en presencia de un tipo de fluido el cual se encuentra en reposo, es debido a que se encuentra en un estado cuyo esfuerzo cortante es nulo.

Debemos tener siempre en cuenta que desde el punto de vista de la mecánica de los fluidos podemos encontrarnos con dos tipos de fluidos, líquidos y gases, y en consecuencia uno se distingue del otro en relación al efecto de las fuerzas cohesivas, es decir, para un líquido el cual está compuesto por concentraciones de moléculas muy cercanas unas a las otras y con ello poseen enormes fuerzas cohesivas, permitiéndoles conservar su volumen formando de esta manera una superficie libre en un determinado campo gravitatorio, siempre y cuando no se encuentre restringido por arriba. En el caso de un gas encontramos que sus moléculas están mucho más separadas entre ellas, disminuyendo considerablemente de esta forma las fuerzas cohesivas de las mismas, hasta poderlas considerar despreciables, por lo tanto, un cierto gas será libre de expandirse hasta que se encuentre paredes que lo pueda confinar, entonces, un determinado gas podemos decir que no posee un volumen definido y el cual por sí mismo sin algún tipo de limitaciones o confinamiento, formará una atmósfera con características fundamentalmente hidrostática. Los distintos tipos de gases no poseen la capacidad de formar superficies libres, por lo que en presencia de un flujo gaseoso difícilmente puedan influir otros efectos gravitatorios diferentes a los de flotabilidad.

Como ya hemos descrito sabemos que los distintos fluidos son complementos de moléculas, las cuales, se encuentran muy alejadas en los gases y muy cercanas en los líquidos, en donde, la longitud entre dichas moléculas es bastante mayor al diámetro molecular, y como las moléculas no se encuentran fijas en una red, por lo contrario se movilizan libremente, por lo tanto, la densidad, o su masa por módulo de volumen, no tendrá un puntual significado, debido a que la cantidad de moléculas dentro de un determinado volumen cambia constantemente, sin embargo, esta acción disminuye su importancia al tener una unidad de volumen bastante mayor que el cubo de la distancia molecular, ya que debido a esto la cantidad de moléculas presentes permanecerán casi constante a pesar del inmenso intercambio a través de su medio o alrededor.

Mediante una dimensión, podemos manifestar una medida debido a la cual una determinada variable física la podríamos expresar de forma cuantitativa, y en cuanto a una unidad representa una manera específica de poder asignarle un número a una dimensión cuantitativa, por ejemplo, la longitud es una representación de dimensión relacionada a variables conocidas por nosotros como trayecto o distancia, desplazamiento, extensión, deflexión , elevación o altura, y en donde, milímetros, centímetros, pulgadas o pies representan unidades numéricas utilizadas para manifestar una longitud.

Es importante destacar que en la mecánica de los fluidos encontramos cuatros dimensiones primarias, las cuales son: masa, longitud, tiempo y temperatura, de estas se originan las demás, es decir, dimensiones secundarias, en donde, se destaca la fuerza, la cual está fuertemente vinculada tanto con la masa como con la longitud y tiempo, mediante la segunda ley de Newton, para lo cual la fuerza será igual a la variación temporal relacionada a la cantidad de movimiento o también si la masa es constante:

Esta propiedad, campo de velocidades V(x,y,z,t) es considerada como la más relevante o importante en cuando a la determinación del flujo de un fluido, por lo tanto, encontrar la velocidad es casi obtener por lo general la resolución de un problema planteado, esto es debido a que otras propiedades la podemos conseguir por medio de la misma.

Por lo general, esta propiedad es un vector, el cual está en función de la posición y del tiempo, compuesto por tres componentes escalares u, v, w:

Como expresamos con anterioridad, en donde, resaltamos el hecho que el campo de velocidades V representa la propiedad más trascendente de un flujo, sin embargo, dicho campo interactúa con las llamadas propiedades termodinámicas del fluido, es decir, las siguientes:

Presión (p)

Fuente

La consideramos como el esfuerzo en un determinado punto del fluido el cual se encuentra en reposo, esta magnitud o propiedad termodinámica, la podemos considerar la variable de mayor importancia después de la velocidad en cuanto a la determinación de la dinámica de un fluido, ya que los gradientes o las diferencias de presiones son por lo general las garantes del flujo de un determinado fluido.

Densidad (ρ)

Es una magnitud que representa en un fluido su masa por unidad de volumen, encontramos que dicha propiedad varía mucho cuando estamos en presencia de los gases, por lo que aumenta casi de manera proporcional a la presión y en los líquidos la densidad la encontramos casi constante, por lo que de forma general podemos calificar a los líquidos como casi incompresibles.

3.- Temperatura (T)

Esta propiedad la relacionamos con el nivel de energía dentro del fluido, la misma puede modificarse formidablemente mediante el flujo de un determinado gas compresible, resaltando, que a pesar del constante uso de las escalas Celsius y Fahrenheit, es posible encontrar planteamientos o análisis en donde se requiera la utilización de las escalas de temperaturas absolutas como las de Kelvin y Rankine:

Consideramos estas tres propiedades debido al permanente vínculo con la velocidad mediante el análisis de un flujo, pero al momento de intervenir el trabajo, el calor, así como el equilibrio energético conseguimos otras cuatros propiedades termodinámicas, las cuales son:

*Energía interna (u).
*Entalpia h= u + p/ρ.
*entropía (s).
*Calores específicos Cp y Cv.

También debemos considerar los efectos tanto de fricción como de conducción de calor, los cuales están representados por los llamados coeficientes de transportes, estos son:

*Coeficiente de viscosidad (μ).
*Conductividad térmica (k).

Por lo tanto, las anteriores magnitudes mencionadas son auténticas propiedades termodinámicas, las cuales las podemos establecer mediante la condición del estado de un fluido.

Es importante que debamos recordar que las distintas propiedades termodinámicas nos permiten describir el estado en que se encuentra un sistema, por lo que representa una parte de materia de afinidad conocida la cual interactúa con sus alrededores, por lo que debemos igualmente tener presenta que la ciencia de la termodinámica se encarga de analizar generalmente sistemas estáticos, en donde, los fluidos están generalmente en movimiento, cambiando de esta manera todas las propiedades continuamente.

La mecánica de los fluidos nos permite el estudio de un flujo cualesquiera y poder determinar mediante un análisis tanto experimental como teórico las distintas propiedades de un fluido en relación con su posición así como del tiempo, nos brindaría enormemente la posible solución de un planteamiento o problema propuesto, haciendo énfasis en la distribución espacio-tiempo de cada una de las propiedades con características de fluido, ya que sólo ocasionalmente se sigue el recorrido de algunas partículas específicas, por lo tanto, esta manera de tratar a dichas propiedades como funciones constantes diferencia a la mecánica de los fluidos con la de los sólidos, en donde, generalmente centramos el interés en la trayectoria o recorrido tanto de sistemas o partículas individuales.

La gran y extraordinaria tarea realizada por la mecánica de los fluidos nutre a innumerables ramas de la ciencia como a otra áreas del desarrollo de la humanidad, por lo tanto, siempre será importante tenerla en cuenta para su comprensión, ya que a través de la misma entenderemos muchos de los fenómenos que se originan en nuestro universo ya que casi en su totalidad cualquier actividad de nuestro entorno está vinculada a un medio liquido o de manera general a un estado de fluido, es decir, líquido y gaseoso.

Nota: Todas las imágenes para los títulos fueron elaborados usando las aplicaciones Paint, Power Point.

Referencias bibliográficas

[1] White Frank M. Mecánica de fluidos. Editorial Mc Graw Hill. Quinta edición. España, 2004.

[2] Goldstein H. Mecánica Clásica. Editorial Reverté. Barcelona, 1.992.