Hidrodinámica

Qué es hidrodinámica

La hidrodinámica en física es la rama que se ocupa de las fuerzas que actúan sobre o ejercidas por los fluidos (especialmente los líquidos).

Las principales fórmulas de la hidrodinámica se obtienen aplicando las leyes generales de la física a un elemento de masa, aislado en el fluido, con la consiguiente transición a un límite a medida que el volumen ocupado por esta masa se aproxima a cero.

Las cargas en hidrodinámica son el término empleado para definir la presión manométrica experimentada por un fluido cuando se encuentra en movimiento en una tubería.

Las pérdidas de carga en hidrodinámica ocurren cuando se disipa energía en un sistema de fluidos como resultado de la fricción existente a lo largo del sistema, y al roce con accesorios, válvulas y otras estructuras del sistema.

Un ejemplo fácil de un experimento de hidrodinámica que se puede realizar en casa es:

Realizando una fuente de agua casera. Para esto, son necesarios los siguientes materiales:

• Botella plástica.
• Pitillo, sorbete o popote.
• Globo grande.
• Pegamento.

Se realiza un hueco en la parte lateral de la botella por donde pueda pasar el pitillo hasta llegar a la base. Sellar la unión entre botella y pitillo. Se llena la botella de líquido, se infla el globo y se coloca sobre la boca de la botella. Debido a la presión de aire existente, el líquido sale por el tubo de plástico. Es el mismo principio de funcionamiento de los aerosoles y pistolas de agua, entre otras.

Leyes y características generales

principales leyes y fórmulas de hidrodinámica utilizadas en esta rama de la mecánica de los fluidos son los detallados en las siguientes vertientes.

Principio de Torricelli

Es una ley física que describe una relación importante entre la velocidad de salida del líquido y su altura en un recipiente.
Se resume en la siguiente fórmula:

Donde:

• V: velocidad del líquido.
• g: aceleración gravitacional.
• h: altura del líquido sobre el punto de referencia.

Principio de Bernoulli

Establece que la energía mecánica total del fluido en movimiento, que comprende la energía potencial gravitacional de elevación, la energía asociada con la presión del fluido y la energía cinética del movimiento del fluido, se mantiene en valor constante.

Su fórmula es una relación entre la presión, la energía cinética y la energía potencial gravitacional de un fluido en un recipiente, la cual se da de la siguiente manera:

Donde:

• P: presión ejercida por el fluido.
• V: velocidad del fluido.
• : densidad del fluido.
• h: altura del recipiente.

Número de Reynolds

Es una cantidad adimensional empleada para determinar el tipo de patrón de flujo como laminar o turbulento mientras fluye a través de una tubería. Se define por la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas.

Su fórmula está dada por la siguiente relación:

Donde:

• : número de Reynolds.
• : densidad del fluido.
• V: velocidad del flujo.
• D: diámetro de la tubería.
• : viscosidad del fluido.

Caudal

El caudal o gasto en hidrodinámica, es el movimiento de líquidos y gases. Describe el comportamiento de los fluidos y la interacción de estos con el entorno que los rodea. El gasto en hidrodinámica puede ser constante o inestable.

Se expresa en términos de «volumen» cuando es incompresible y en términos de «peso» cuando es comprimible.

La fórmula que la define es:

Donde:

• Q: caudal
• A: área de sección transversal de una tubería.
• V: velocidad del fluido en el área de sección transversal.

Aplicaciones de la hidrodinámica

Los ejemplos de aplicaciones incluyen:

• Diseño de cascos de barcos.
• Optimización de la eficiencia de propulsión.
• Medición de flujos de metales líquidos.

Algunas aplicaciones hidráulicas industriales incluyen:

• Energía hidroeléctrica.
• Dinámica de fluidos computacional.
• Medición de flujo.

Además de eso, otras aplicaciones son:

• Funciones de válvulas cardíacas.
• Flujos sanguíneos.
• Dinámica de olas.

Ejemplos de hidrodinámica

Algunos ejemplos de ejercicios en hidrodinámica son:

1. Por un orificio sale líquido. ¿Cuál es la velocidad de salida de dicho líquido con una profundidad de 2,4 metros?

   Se recopilan los datos proporcionados:

   • v = ?
   • h = 2,4 m
   • g = 9,8 m/s²

   Al aplicar la fórmula de Torricelli se tiene:

   

    

   

   

2. Una persona cubre la mayoría de la salida de una manguera. El agua sale con una presión de 100 KPa, hacia arriba, con una velocidad de 0,2 m/s. ¿Qué altura alcanza el agua si el ambiente se encuentra a una presión de 90 KPa?

   Se plantea la ecuación de Bernoulli:

   

    

   Los datos suministrados son:

   • P1: 100 KPa.
   • V1: 0,2 m/s.
   • h1: 0 m.
   • P2: 90 KPa.
   • V2: 0 m/s.
   • : densidad del agua 1000 Kg/m3