La mecánica de fluidos es fundamental para el mundo del motor, ya que muchos sistemas o subsistemas de los coches funcionan gracias a estos principios, desde la dirección, hasta los frenos, pasando por otros mecanismos presentes.
Por eso, vamos a conocer algo más al respecto de este campo tan interesante y desconocido para muchos.
¿Qué es la mecánica de fluidos?
La mecánica de fluidos es una rama de la física y la ingeniería que se dedica al estudio del comportamiento de los fluidos, tanto en reposo como en movimiento. A diferencia de la mecánica de sólidos, que estudia cuerpos rígidos, la mecánica de fluidos se enfoca en sustancias que se deforman continuamente bajo la aplicación de esfuerzos cortantes, como los líquidos y los gases.
Esta rama, especialmente la dinámica de fluidos, es un campo sumamente complejo y activo en investigación. Esto se debe a la naturaleza no lineal de las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los fluidos, lo que dificulta obtener soluciones analíticas exactas para muchos problemas prácticos.
Dentro de esta rama, encontramos dos disciplinas principales:
- Hidrostática: se encarga del estudio de los fluidos en reposo. Analiza cómo actúan las fuerzas sobre un fluido que se encuentra en equilibrio, es decir, sin movimiento. En este caso intervienen fuerzas como la presión, el principio de Pascal, y el empuje cuantificado mediante el principio de Arquímedes (por ejemplo, principio por el que flotan los barcos).
- Hidrodinámica: se enfoca en el estudio de los fluidos en movimiento. Analiza cómo fluyen los líquidos y gases, las fuerzas que intervienen y los factores que afectan su movimiento. En este caso interviene también el caudal, la ecuación de continuidad, el teorema de Bernoulli que luego veremos, la viscosidad, o las turbulencias del fluido.
Fórmulas, teoremas y principios de la mecánica de fluidos
Dentro de la mecánica de fluidos tenemos varias formulas, principios, y teoremas importantes que se aplican en el mundo del motor para multitud de casos, desde los sistemas hidráulicos, hasta estudiar el comportamiento de fluidos como el combustible, el refrigerante, o el aceite, pasando también por algunas cuestiones aerodinámicas.
Principio de Pascal
Este principio establece que un cambio de presión aplicado a un fluido encerrado se transmite íntegramente y sin disminución a todos los puntos del fluido. Puedes ver un caso más gráfico en la imagen anterior.
Ecuación de Continuidad
Esta ecuación expresa la conservación de la masa en un fluido en movimiento. Es decir, la cantidad de fluido que entra en una tubería debe ser igual a la cantidad que sale. La fórmula en este caso es:
A1·V1 = A2·V2
En este caso A son las áreas de las secciones de los puntos de la tubería, y V es la velocidad del fluido en esos puntos. En este caso, si una tubería se estrecha, la velocidad del fluido aumenta para mantener constante el caudal. Esto quizás te suene de la aerodinámica, cuando estudiamos las alas.
Principio de Bernoulli
El principio de Bernoulli relaciona la presión, la velocidad y la altura de un fluido en movimiento a lo largo de una línea de corriente. En términos simples, cuando la velocidad de un fluido aumenta, su presión disminuye.
P₁ + 1/2ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + 1/2ρv₂² + ρgh₂
En este caso tenemos las presiones en los dos puntos representada por la P, mientras que la densidad del fluido es ρ, y las velocidades del fluido en los dos puntos v, la aceleración de la gravedad es g, y h son las alturas de los dos puntos. Esto se usa, entre otras cosas, para el principio usado en los carburadores de los motores de combustión interna mediante el conocido como efecto Venturi, que es una aplicación de este principio, así como en la aerodinámica… Es también usado, por ejemplo, en el motorsport por el famoso Tubo de Pitot.
Principio de Torricelli
Es la relación entre la velocidad de salida de un líquido por un orificio en un recipiente con la altura del líquido por encima del orificio.
v = √(2gh)
En este caso también tenemos v como velocidad de salida del fluido, g la aceleración de la gravedad, y h la altura del líquido por encima del orificio. Esto se puede aplicar por ejemplo a los depósitos, para conocer cómo saldría el fluido por la apertura.
Principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical hacia arriba llamada empuje, igual al peso del fluido desalojado. Básicamente el principio por el que los barcos flotan, a pesar de ser de metal y pesar toneladas. No es magia, es ciencia.
E = ρVg
En este caso tenemos E como empuje, ρ es la densidad del fluido, V el columen del fluido desalojado, y g la aceleración de la gravedad. Por ejemplo, un experimento sencillo es coger dos láminas de papel de aluminio de la cocina de igual tamaño y peso. Si una de las láminas la comprimes y la conviertes en una bola y la depositas en un vaso de agua, verás que se hunde. En cambio, si haces el típico barco de papel con la otra lámina, verás que flota. Si puedes pesar el agua que desaloja uno y otro, verás que en el caso segundo es mayor, superando al peso de la propia lámina de aluminio, por ello flota. En el primer caso, el volumen de agua desplazado es inferior al peso de la propia bola, por eso se hunde. Cuestión de densidad, de volumen…
Aplicaciones
Para que puedas apreciar la importancia de la mecánica de fluidos en el mundo del motor, aquí tienes algunos ejemplos de aplicaciones, aunque hay aún más:
- Aerodinámica: el diseño de la carrocería de un coche se basa en principios aerodinámicos para minimizar la resistencia del aire y mejorar la eficiencia del combustible. El principio de Bernoulli juega un papel crucial en este aspecto. En coches de carreras, se utilizan alerones y difusores para generar fuerza descendente, mejorando la adherencia a la carretera a altas velocidades, también funcionando bajo este mismo principio.
- Sistema de refrigeración: el principio de Pascal se utiliza en las bombas de agua para hacer circular el refrigerante a través del motor. El diseño de los radiadores y los conductos de aire se basa en principios de transferencia de calor y flujo de fluidos para garantizar una eficiente disipación del calor del motor.
- Sistema de frenos: otra aplicación del principio de Pascal se utiliza en los sistemas de frenos hidráulicos para multiplicar la fuerza aplicada al pedal del freno, generando una mayor fuerza en las pastillas de freno.
- Sistema de suspensión: los amortiguadores utilizan fluidos para disipar la energía y controlar los movimientos de la suspensión.
- Sistema de combustible: las bombas de combustible utilizan principios hidráulicos para transportar el combustible desde el tanque al motor. Por otro lado también está el diseño de los inyectores y la atomización del combustible se basan en principios de flujo de fluidos.
- Neumáticos: la forma y el material de los neumáticos influyen en la adherencia al suelo y en la resistencia a la rodadura para disipar el agua y evitar el aquaplaning. Además, el principio de Pascal explica cómo la presión dentro del neumático se distribuye uniformemente.
- Sistema de dirección: la bomba de la dirección asistida también utiliza principios hidráulicos para asistir al conductor en la dirección del vehículo.
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