La mecánica de fluidos es la parte de la ciencia que se encarga de estudiar cómo y por qué se mueven los fluidos, así como sus relaciones con el entorno en el que fluyen.

En esta serie de artículos se presentan una serie de conceptos básicos y ejemplos resueltos para que cualquier persona pueda introducirse en el mundo de la dinámica de fluidos sin morir en el intento.

Conceptos básicos sobre fluidos

Fluido: Salsa de átomos y moléculas que se atraen con fuerzas débiles. Básicamente un gas o un líquido. Como por ejemplo: agua, aire, aceite, gasolina, oxígeno o vinagre. Más técnicamente hablando, un fluido es una sustancia que se deforma cuando se le aplica una fuerza, sin importar que sea una super fuerza o una fuerza pequeñita. Si le pego un guantazo a una piedra, esta no se deforma, pues no es un fluido. Si le soplo al agua, pues ya ves que sí se deforma, pues es un fluido. La fuerza que une a las partículas del agua es débil, mientras que en la piedra los enlaces son fuertes, no es de consistencia blanda.

Conducto: Sitio por el que pasa el fluido que se va a analizar. Generalmente una tubería. Puede ser cualquier otro tipo conducto, pero durante este curso introductorio mantendremos el asunto simple y trataremos siempre con tuberías, que son conductos de sección circular.

Presión hidrostática: Presión ejercida por un fluido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Es perpendicular a la pared en todos sus infinitos puntos, y tiene el mismo valor numérico en todos estos. Como curiosidad, hay que decir que Pascal descubrió que si a un fluido encerrado en un recipiente se le aplica una presión, la presión del fluido aumenta en la misma cantidad en todos los puntos. Lo cuál es sorprendente porque permite multiplicar fuerzas de forma muy chula. Mira:

Si la presión es la misma en todos los puntos, será la misma en ambos lados. Siendo la presión la medida de la cantidad de fuerza por unidad de superficie, se mantiene la relación. Y siendo la superficie 2 mayor que la superficie 1, automáticamente tenemos también que la fuerza en 2 es mayor que en 1. Eso permite la elaboración de pistones hidráulicos, por ejemplo. Aunque eso no pertenece a la dinámica de fluidos, sino a la estática. A título de curiosidad: si el fluido está en movimiento, podría aparecer una presión adicional que se conoce como presión hidrodinámica.

Compresibilidad: Capacidad de un fluido para cambiar su volumen ante cambios de presión. ¿Se puede comprimir el fluido o no?, ¿cuánto?. Pues eso. Los líquidos suelen ser poco compresibles y los gases mucho. Cuando tratemos con ejemplos sencillos, por lo general realizaremos la teoría y los ejemplos con el agua como fluido, ya que es muy poco compresible y facilita los cálculos.

Presión manométrica: Diferencia entre la presión que ejerce el fluido y la que ejerce la atmósfera. Se mide con un manómetro, y hay varias unidades de presión. Esta es la presión a la que se hace referencia en la mayoría de aplicaciones técnicas. La presión absoluta, en cambio, se mide con un barómetro.

Densidad [ρ]: Cantidad de masa por unidad de volumen. Te imaginas una botella de 1 Litro. Si en ella metes agua, pesará un kilo. Porque la densidad del agua es de 1 kilo por litro. Si la llenas de aceite, pesará un poquito menos, porque la densidad del aceite es de aproximadamente 0.91 kilos por litro. Si la llenas de miel, pesará un poquito más, porque la densidad de la miel es, dependiendo de la miel, de aproximadamene 1,4 kilos por litro. La densidad representa cuánta masa hay para una cantidad determinada de volumen.

Volumen específico [v]: Cantidad de volumen por unidad de masa. Observa que es la inversa de la densidad. Si la densidad es el cociente entre masa partido de volumen, el volumen específico es el cociente entre volumen partido por la cantidad de masa. En los ejemplos de la botella de 1 Litro, en este caso sería coger 1 kilo de agua y decir... "¿qué volumen deberá tener mi botella para meter este kilo de agua?", "¿qué volumen debe tener mi botella si quiero meter un kilo de aceite, o de miel?".

Peso específico [γ]: Peso por unidad de volumen. Es conceptualmente similar a la densidad, pues estamos mirando, para cada unidad de volumen, cuánto es el peso de la sustancia. Hay que destacar que la masa no depende de factores externos, mientras que el peso sí, pues depende de la gravedad. No es igual el peso en la Tierra que en la Luna. Cuando veas el concepto de peso específico, puedes visualizarlo como la densidad, aunque teniendo claro que no es exactamente lo mismo. En el caso de la densidad tratas con masa por unidad de volumen y en el caso del peso específico tratas con el peso de dicha masa por unidad de volumen.

Viscosidad: Medida de la fuerza necesaria para que una capa de fluido deslice sobre otra. En cierto modo representa la capacidad que tiene el fluido de oponerse a las deformaciones que se producen a causa de las fuerzas externas. La miel es más viscosa que el agua. Si tienes un bote con miel y lo inclinas, las capas de miel necesitan más fuerza (fuerza gravitatoria en este caso) para deslizarse. O si tienes una bomba y quieres propulsar miel a través de un tubo, requerirá más esfuerzo que si quieres propulsar agua. O si soplas sobre la miel o el agua, verás que es más fácil deformar el agua que la miel.

Número de Reynolds: Es un número, definido por un señor llamado Osborne Reynolds. En concreto, es el cociente entre las fuerzas inerciales y viscosas de un fluido. ¿Y eso para qué? Pues se usa principalmente para determinar si el flujo es laminar o turbulento y en qué medida. El flujo laminar es el ideal perfecto donde todo va recto y paralelo. El turbulento en cambio es un flujo errático desordenado. Si tuvieras un túnel y metes un montón de gallinas, el flujo sería laminar si las gallinas van caminando todas tranquilas formando filitas, y sería turbulento si las gallinas se ponen a saltar y volar en el túnel como locas. Mira este vídeo al respecto:

Perfecto.

Con esta información no tienes aún ideas claras de qué trata el asunto, pero son conceptos que hay que conocer para poder trabajar con ellos.

En el siguiente capítulo veremos el concepto de conservación de la masa aplicado a la mecánica de fluidos.