MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRAULICA
RANALD V. GILES MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRAULICA
TEORIA Y 75 PROBLEMAS RESUELTOS
Prólogo Este libro ha sido concebido con el principal propósito de complementar los textos ordinarios (de mecánica de los fluidos e hidráulica. Se basa en la convicción del autor de que el esclarecimiento y comprensión de los principios fundamentales de cualquier rama de la mecánica se obtienen mejor mediante numerosos ejercicios ilustrativos. La anterior edición de este libro ha sido acogida muy favorablemente. En esta segunda edición, muchos de los capítulos han sido revisados y adicionados con objeto de poner al día determinados temas de acuerdo con los más recientes conceptos, métodos y terminología. Se ha dedicado especial atención al análisis dimensional recogiendo los nuevos materiales en el Capítulo 5. La revisión más extensa se ha llevado a cabo en los capítulos que tratan los fundamentos del flujo de fluidos, flujo de fluidos en tuberías y flujo en canales abiertos. La materia se divide en capítulos que abarcan áreas bien definidas de teoría y estudio. Cada capítulo se inicia con el establecimiento de las definiciones pertinentes, principios y teoremas, junto con el material ilustrativo y descriptivo al que sigue una serie de problemas resueltos y problemas propuestos. Los problemas resueltos ilustran y amplían la teoría, presentan métodos de análisis, proporcionan ejemplos prácticos e iluminan con aguda perspectiva aquellos aspectos de detalle que capacitan al estudiante para aplicar los principios fundamentales con corrección y seguridad. El análisis del cuerpo libre, los diagramas vectoriales, los principios de trabajo y energía de la cantidad de movimiento y las leyes de Newton se utilizan a lo largo de todo el libro. No se ha regateado esfuerzo para presentar problemas originales desarrollados por el autor en los largos años dedicados a la enseñanza de .esta materia. Entre los problemas resueltos se incluyen numerosas demostraciones de teoremas y deducciones de fórmulas. El elevado número de problemas propuestos asegura un repaso completo del material de cada capítulo. Los alumnos de las Escuelas de Ingeniería reconocerán la utilidad de este libro al estudiar la mecánica de los fluidos y, adicionalmente, aprovecharán la ventaja de su posterior empleo como libro de referencia en su práctica profesional. Encontrarán soluciones muy detalladas de numerosos problemas prácticos y, cuando lo necesiten, podrán recurrir siempre al resumen de la teoría. Asimismo, el libro puede servir al ingeniero profesional que ha de recordar esta materia cuando es miembro de un tribunal examinador o por cualesquiera otras razones. Deseo expresar mi agradecimiento a mi colega Robert C. Stiefel, que ha comprobado cuidadosamente la solución de muchos de los nuevos problemas. También he de expresar mi gratitud a la redacción de la Schaum Publishing Company y, muy particularmente, a Henry Hayden y Nicola Miracapillo, por sus inestimables sugerencias e inapreciable cooperación. RANALD V. GILES
Tabla de materias Páginas
Capítulo
1
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
1
La mecánica de los fluidos y la hidráulica. Definición de fluido. Sistema técnico de unidades. Peso específico. Densidad de un cuerpo. Densidad relativa de un cuerpo. Viscosidad de un fluido. Presión de vapor. Tensión superficial. Capilaridad. Presión de un fluido. La presión. Diferencia de presiones. Variaciones de la presión en un fluido compresible. Altura o carga de presión h. Módulo volumétrico de elasticidad (E). Compresión de los gases. Para condiciones isotérmicas. Para condiciones adiabáticas o isoentrópicas. Perturbaciones en la presión.
Capítulo
2
FUERZAS HIDROSTÁTICAS SOBRE LAS SUPERFICIES. . . . . . . .
22
Introducción. Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana. Tensión circunferencial o tangencial. Tensión longitudinal en cilindros de pared delgada.
Capítulo 3
EMPUJE Y FLOTACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Principio de Arquímedes. Estabilidad de cuerpos sumergidos y flotantes.
Capítulo
4
TRASLACIÓN Y ROTACIÓN DE MASAS LIQUIDAS. . . . . . . . . . .
42
Introducción. Movimiento horizontal. Movimiento vertical. Rotación de masas fluidas. Recipientes abiertos. Rotación de masas fluidas. Recipientes cerrados.
Capítulo
5
ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRÁULICA . . . . . . .
50
Introducción. Análisis dimensional. Modelos hidráulicos. Semejanza geométrica. Semejanza cinemática. Semejanza dinámica. La relación entre las fuerzas de inercia. Relación de las fuerzas de inercia a las de presión. Relación de las fuerzas de inercia a las viscosas. Relación de las fuerzas de inercia a las gravitatorias. Relación de las fuerzas de inercia a las elásticas. Relación de las fuerzas de inercia a la de tensión superficial. Relación de tiempos.
Capítulo 6
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
Introducción. Flujo de fluidos. Flujo permanente. Flujo uniforme. Líneas de corriente. Tubos de corriente. Ecuación de continuidad. Red de corriente. Ecuación de la energía. Altura de velocidad. Aplicación del teorema de Bernoul-li. Línea de energías o de alturas totales. Línea de alturas piezométricas. Potencia.
TABLA DE MATERIAS
Páginas
Capítulo
7
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS.
96
Introducción. Flujo laminar. Velocidad crítica. Número de Reynolds. Flujo turbulento. Tensión cortante en la pared de una tubería. Distribución de velocidades. Pérdida de carga en flujo laminar. Fórmula de Darcy-Weisbach. Coeficiente de fricción. Otras pérdidas de carga.
Capítulo 8
SISTEMAS DE TUBERÍAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Sistemas de tubejías. Sistemas de tuberías equivalentes. Sistemas de tuberías compuestas o en serie, en paralelo y ramificadas. Métodos de resolución. Fórmula de Hazen-Williams.
Capítulo
9
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
Introducción. Tubo de Pitot. Coeficiente de descarga. Coeficiente de velocidad. Coeficiente de contracción. Pérdida de carga. Vertederos de aforo. Fórmula teórica de un vertedero. Fórmula de Francis. Fórmula de Banzin. Fórmula de Fteley y Stearns. Fórmula del vertedero triangular. La fórmula del vertedero trapezoidal. Para presas empleadas como vertederos. E! tiempo de vaciado de depósitos. El tiempo para establecer el flujo.
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Capítulo 10
FLUJO EN CANALES ABIERTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
160
Canal abierto. Flujo uniforme y permanente. Flujo no uniforme. Flujo laminar. La fórmula de Chezy. El coeficiente C. El caudal Q. La pérdida de carga. Distribución vertical de la velocidad. Energía específica. Profundidad crítica. Caudal unitario máximo. En canales no rectangulares y para un flujo critico. Flujo no uniforme. Los vertederos de aforo de pared gruesa. Resalto hidráulico.
Capítulo
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FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
Introducción. El principio de impulso-caníidad de movimiento. El coeficiente de corrección de la cantidad de movimiento. Resistencia. Sustentación. Resistencia total. Coeficientes de resistencia. Coeficientes de sustentación. Número de Mach. Teoría de la capa límite. Placas planas. Golpe de ariete. Velocidades supersónicas.
Capítulo 12
MAQUINARIA HIDRÁULICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
225
Maquinaria hidráulica. En el caso de rodetes. Ruedas hidráulicas, bombas y soplantes. Velocidad específica. Rendimiento. Cavitación. Propulsión por hélices. Los coeficientes de la hélice.
TABLA DE MATERIAS
APÉNDICES Tabla 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
Páginas
Propiedades aproximadas de algunos gases.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Densidad relativa y viscosidad cinemática de algunos líquidos. . . . . . . Coeficiente de fricción / para agua solamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pérdidas de carga en accesorios.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores de K*. Contracciones y ensanchamientos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . Algunos valores del coeficiente Cl de Hazen-Williams. . . . . . . . . . . . . . Coeficientes de desagüe para orificios circulares de arista viva.. . . . . . Algunos factores de expansión Y para flujo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algunos valores medios de n empleados en las fórmulas de Kutter y de nning y de m en la fórmula de Bazin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores de C de la fórmula de Kutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores del factor de descarga K para canales trapezoidales. . . . . . . . . Valores del factor de descarga K' para canales trapezoidales. . . . . . . . Áreas, de círculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 Pesos y dimensiones de tuberías de fundición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246 247 248 249 250 250 251 252 Ma 252 253 254 255 256
DIAGRAMAS Diagramas A-l. Diagrama de Moody para coeficientes de fricción f. . . . . . . . . . A-2. Diagrama de Moody modificado para coeficientes de fricción / (solución directa para el flujo Q). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B. C. Nomograma de caudales, fórmula de Hazen-Williams (C\ = 100). 1 Coeficiente para orificios medidores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D. Coeficientes para boquillas de aforo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E. Coeficientes para venturímetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F. Coeficiente de resistencia en función de RE. . . . . . . . . . . . . . . . . . G. Coeficientes de resistencia para placas planas y lisas.. . . . . . . . . H. Coeficientes de resistencia a velocidades supersónicas. . . . . . . . .
ÍNDICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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