Hidrodinámica: qué es, conceptos, fórmulas.

A hidrodinámica es un área de la Física, específicamente de la mecánica clásica, que comprende los fluidos Ideales dinámicos, aquellos que se mueven. En él se estudia principalmente el caudal másico, el caudal volumétrico de los fluidos, la ecuación de continuidad y el principio de Bernoulli.

Lea también: Aerodinámica: la rama de la física que estudia la interacción de los gases con el aire.

Resumen sobre hidrodinámica

• La hidrodinámica es un área de la mecánica clásica que estudia fluidos ideales en movimiento.
• Sus principales conceptos son: flujo másico, flujo volumétrico, ecuación de continuidad y principio de Bernoulli.
• A partir del caudal volumétrico conocemos la cantidad de volumen de un fluido que pasa por un tramo recto durante un intervalo de tiempo.
• A partir del caudal másico conocemos la cantidad de masa de un fluido que pasa por un tramo recto durante un periodo de tiempo.
• Basándonos en la ecuación de continuidad, observamos la influencia del área de la sección transversal sobre la velocidad del flujo de un fluido ideal.
• Basándonos en el principio de Bernoulli, observamos la relación entre la velocidad y la presión de un fluido ideal.
• La hidrodinámica se aplica en la construcción de aviones, automóviles, casas, edificios, cascos, grifos, plomería, vaporizadores, tubos de Pitot y tubos Venturi.
• Mientras que la hidrodinámica es un área de la Física que estudia los fluidos ideales en movimiento, la hidrostática es un área de la Física que investiga los fluidos estáticos.

¿Qué es la hidrodinámica?

la hidrodinámica es un área de Física, específicamente de la mecanica clasica, que estudia fluidos ideales (líquidos y gases) en movimiento. Un fluido ideal es aquel que tiene: flujo laminar, en el que la intensidad, dirección y dirección de su velocidad en un punto fijo no cambian con el tiempo; flujo incompresible, en el que su masa específica es constante; flujo no viscoso, presentando baja resistencia al flujo; y flujo irrotacional, que no gira alrededor de un eje que cruza su centro de masa.

Conceptos de hidrodinámica

Los principales conceptos estudiados en hidrodinámica son flujo másico, flujo volumétrico, ecuación de continuidad y principio de Bernoulli:

• Flujo volumétrico: Es una cantidad física que se puede definir como la cantidad de volumen de un fluido que atraviesa un tramo recto durante un intervalo de tiempo. Se mide en metros cúbicos por segundo. [metro³/s] .
• Flujo de masa: es una cantidad física que se puede definir como la cantidad de masa de un fluido que atraviesa una sección recta durante un intervalo de tiempo. Se mide en [kg/s] .
• Ecuación de continuidad: Se ocupa de la relación entre la velocidad y el área de la sección transversal, en la que la velocidad del flujo de un fluido ideal aumenta a medida que el área de la sección transversal a través de la cual fluye disminuye. Esta ecuación se ejemplifica en la siguiente imagen:

Representación de la ecuación de continuidad.

• El principio de Bernoulli: trata de la relación entre la velocidad y la presión de un fluido ideal, en la que si la velocidad de un fluido se vuelve mayor a medida que fluye a través de una línea de flujo, entonces la presión del fluido se vuelve más baja y viceversa. Este principio se ejemplifica en la siguiente imagen:

Representación del principio de Bernoulli.

Fórmulas hidrodinámicas

→ Fórmula de flujo volumétrico

\(R_v=A\cdot v\)

• R_v → caudal volumétrico del fluido, medido en [metro³/s] .
• A → área de la sección de flujo, medida en metros cuadrados [metro²].
• v → velocidad media del tramo, medida en metros por segundo [EM].

→ Fórmula de flujo másico

Cuando la densidad del fluido es la misma en todos los puntos, podemos encontrar el caudal másico:

\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)

• R_metro → caudal másico del fluido, medido en [kg/s] .
• ρ → densidad del fluido, medida en [kg/metro³].
• A → área de la sección de flujo, medida en metros cuadrados [metro²].
• v → velocidad media del tramo, medida en metros por segundo [EM].

→ Ecuación de continuidad

\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)

• A₁ → área de la sección de flujo 1, medida en metros cuadrados [metro²].
• v₁ → velocidad del flujo en el área 1, medida en metros por segundo [EM].
• A₂ → área de la sección de flujo 2, medida en metros cuadrados [metro²].
• v₂ → velocidad del flujo en el área 2, medida en metros por segundo [EM].

→ Ecuación de Bernoulli

\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_2\)

• PAG₁ → presión del fluido en el punto 1, medida en pascales [Pala].
• PAG₂ → presión del fluido en el punto 2, medida en pascales [Pala].
• v₁ → velocidad del fluido en el punto 1, medida en metros por segundo [EM].
• v₂ → velocidad del fluido en el punto 2, medida en metros por segundo [EM].
• y₁ → altura del fluido en el punto 1, medida en metros [metro].
• y₂ → altura del fluido en el punto 2, medida en metros [metro].
• ρ → densidad del fluido, medida en [kg/metro³ ].
• gramo → aceleración de la gravedad, mide aproximadamente 9,8 metro/s² .

La hidrodinámica en la vida cotidiana.

Los conceptos estudiados en hidrodinámica son ampliamente utilizados en construye aviones, coches, casas, edificios, cascos y más.

El estudio del flujo nos permite realizar la Medición del flujo de agua en hogares y plantas de tratamiento industriales., además de evaluaciones de las cantidades de gases y combustibles industriales.

El estudio del principio de Bernoulli ha Amplio uso en Física e Ingeniería., principalmente en la creación de vaporizadores y tubos Pitot, para medir la velocidad del flujo de aire; y en la creación de tubos Venturi, para medir la velocidad de flujo de un líquido dentro de una tubería.

Con base en el estudio de la ecuación de continuidad, es posible tener comprender el principio de funcionamiento de los grifos y por qué, cuando metes el dedo en la salida de agua de una manguera, la velocidad del agua aumenta.

Diferencias entre hidrodinámica e hidrostática

La hidrodinámica y la hidrostática son áreas de la física encargadas de estudiar los fluidos:

• Hidrodinámica: Área de la Física que estudia los fluidos dinámicos en movimiento. En él se estudian los conceptos de flujo volumétrico, flujo másico, ecuación de continuidad y principio de Bernoulli.
• Hidrostático: Área de la Física que estudia los fluidos estáticos, en reposo. En él se estudian los conceptos de masa específica, presión, el principio de Stevin y sus aplicaciones y el teorema de Arquímedes.

Vea también:Cinemática: el área de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta el origen del movimiento.

Ejercicios resueltos de hidrodinámica.

Pregunta 1

(Enem) Para instalar una unidad de aire acondicionado, se sugiere colocarla en la parte superior de la pared de la habitación, ya que La mayoría de los fluidos (líquidos y gases), al calentarse, sufren una expansión, reduciendo su densidad y sufriendo un desplazamiento. ascendente. A su vez, al enfriarse se vuelven más densos y sufren un desplazamiento hacia abajo.

La sugerencia presentada en el texto minimiza el consumo de energía, porque

A) reduce la humedad del aire dentro de la habitación.

B) aumenta la tasa de conducción térmica fuera de la habitación.

C) facilita el drenaje del agua de la habitación.

D) facilita la circulación de corrientes de aire frío y caliente dentro de la habitación.

E) reduce la tasa de emisión de calor del dispositivo a la habitación.

Resolución:

Alternativa D

La sugerencia presentada en el texto reduce el consumo de energía eléctrica, ya que el aire frío asciende y el aire caliente desciende, facilitando la circulación de corrientes de aire frío y caliente dentro de la habitación.

Pregunta 2

(Unicristus) Una cisterna con una capacidad de 8000 litros está completamente llena de agua. Toda el agua de esta cisterna será bombeada a un camión cisterna con capacidad de 8000 litros a un caudal constante de 200 litros/minuto.

El tiempo total necesario para sacar toda el agua de la cisterna al camión cisterna será

a) 50 minutos.

B) 40 minutos.

C) 30 minutos.

D) 20 minutos.

E) 10 minutos.

Resolución:

Alternativa B

Calcularemos el tiempo total requerido usando la fórmula de flujo volumétrico:

\(R_v=A\cdot v\)

\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)

\(R_v=\frac{V}{t}\)

\(200=\frac{8000}{t}\)

\(t=\frac{8000}{200}\)

\(t=40\ min\)

Fuentes

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. curso de fisica basica: Fluidos, Oscilaciones y Ondas, Calor (vol. 2). 5ª ed. São Paulo: Editora Blucher, 2015.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de la Física: Gravitación, ondas y termodinámica (vol. 2) 8. ed. Río de Janeiro, RJ: LTC, 2009.