Introducción a la mecánica de fluidos / Robert W. Fox, Alan T. McDonald.

Traducción de la 4ta. ed. en inglés

CONTENIDO
CAPITULO 1 INTRODUCCION 1
1-1 Nota a los estudiantes 1
1-2 Definición de un fluido 3
1-3 Objetivo de la mecánica de fluidos 4
1-4 Ecuaciones básicas 5
1-5 Métodos de análisis 6
1-5.1 Sistema y volumen de control 6
1-5.2 Enfoque diferencial contra enfoque integral 7
1-5.3 Métodos de descripción 8
1-6 Dimensiones y unidades 10
1-6.1 Sistemas de dimensiones 10
1-6.2 Sistemas de unidades 11
1-6.3 Sistema de unidades preferido 12
CAPITULO 2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES 19
2-1 Fluido como un medio continuo 19
2-2 Campo de velocidades 21
2-2.1 Flujos unidimensional, bidimensional y tridimensional 22
2-2.2 Líneas en el tiempo, líneas de trayectoria, líneas de traza y líneas de corriente 23
2-3 Campo de esfuerzos 26
2-4 Viscosidad 29
2-4.1 Fluido newtoniano 30
2-4.2 Fluidos no newtonianos 33
2-5 Descripción y clasificación de los movimientos de fluidos 34
2-5.1 Flujos viscosos y no viscosos 34
2-5.2 Flujos laminar y turbulento 39
2-5.3 Flujos compresible e incompresible 41
2-5.4 Flujos internos y externos 41
CAPITULO 3 ESTATICA DE FLUIDOS 56
3-1 La ecuación básica de la estática de fluidos 56
3-2 Variaciones de presión en un fluido estático 60
3-3 La atmósfera estándar 66
3-4 Sistemas hidráulicos 69
3-5 Fuerza hidrostática sobre superficies sumergidas 69
3-5.1 Fuerza hidrostática sobre una superficie plana sumergida 69
3-5.2 Fuerza hidrostática sobre una superficie curva sumergida 77
3-6 Flotación y estabilidad 81
3-7 Fluidos en el movimiento de cuerpo rígido 83
CAPITULO 4 ECUACIONES BASICAS EN FORMA INTEGRAL PARA UN VOLUMEN DE CONTROL 107
4-1 Leyes básicas para un sistema 107
4-1.1 Conservación de la masa 107
4-1.2 Segunda ley de Newton 108
4-1.3 El principio del momento angular 108
4-1.4 La primera ley de la termodinámica 108
4-1.5 La segunda ley de la termodinámica 109
4-2 Relación de las derivadas del sistema con la formulación del volumen de control 109
4-2.1 Derivación 110
4-2.2 Interpretación física 115
4-3 Conservación de la masa 116
4-3.1 Casos especiales 117
4-4 Ecuación de momento para el volumen de control inercial 124
4-4.1 Análisis del volumen de control diferencial 136
4-4.2 Volumen de control moviéndose con velocidad constante 141
4-5 Ecuación del momento para el volumen de control con aceleración rectilínea 144
4-6 Ecuación del momento para el volumen de control con aceleración arbitraria 152
4-7 El principio del momento angular 158
4-7.1 Ecuación para el volumen de control fijo 158
4.7.2 Ecuación para el volumen de control rotatorio 163
4-8 La primera ley de la termodinámica 168
4-8.1 Relación de trabajo efectuado por un volumen de control 169
4-8.2 Ecuación del volumen de control 171
4-9 La segunda ley de la termodinámica 175
CAPITULO 5 INTRODUCCION AL ANALISIS DIFERENCIAL DEL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO 216
5-1 Conservación de la masa 216
5-1.1 Sistema de coordenadas rectangulares 216
5-1.2 Sistema de coordenadas cilíndricas 222
5-2 Función de corriente para un flujo bidimensional incompresible 225
5-3 Movimiento de un elemento de fluido (cinemática) 229
5-3.1 Aceleración de una partícula de fluido en un campo de velocidad 231
5-3.2 Rotación de un fluido 236
5-3.3 Deformación de fluido 240
5-4 Ecuación del momento 244
5-4.1 Fuerzas que actúan sobre una partícula de fluido 245
5-4.2 Ecuación diferencial del momento 246
5-4.3 Fluido newtoniano: ecuaciones de Navier-Stokes 246
CAPITULO 6 FLUJO INCOMPRESIBLE NO VISCOSO 258
6-1 Ecuaciones de momento para flujos sin fricción: ecuaciones de Euler 258
6-2 Ecuaciones de Euler en coordenadas de línea de corriente 259
6-3 Ecuación de Bernoulli. Integración de la ecuación de Euler a lo largo de una línea de corriente para flujo estacionario 263
6-3.1 Derivación empleando coordenadas de línea de corriente 263
6-3.2 Derivación empleando coordenadas rectangulares 264
6-3.3 Presiones estática, de estancamiento y dinámica 266
6-3.4 Aplicaciones 270
6-3.5 Precauciones en el uso de la ecuación de Bernoulli 276
6-4 Relación entre la primera ley de la termodinámica y la ecuación de Bernoulli 277
6-5 Ecuación de Bernoulli inestable. Integración de la ecuación de Euler a lo largo de una línea de corriente 284
6-6 Flujo irrotacional 287
6-6.1 Ecuación de Bernoulli aplicada al flujo irrotacional 287
6-6.2 Potencial de velocidad 288
6-6.3 Función de corriente y potencial de velocidad para flujo bidimensional, incompresible e irrotacional; ecuación de Laplace 290
6-6.4 Flujos planos elementales 292
6-6.5 Superposición de flujos planos elementales 296
CAPITULO 7 ANALISIS DIMENSIONAL Y SIMILITUD 317
7-1 Naturaleza del análisis dimensional 317
7-2 Teorema Pi de Buckingham 318
7-3 Determinación de los grupos pi 319
7-4 Grupos adimensionales de importancia en mecánica de fluidos 325
7-5 Similitud de flujo y estudio de modelos 327
7-5.1 Similitud incompleta 330
7-5.2 Escalamiento con parámetros dependientes múltiples 337
7-5.3 Comentarios acerca de la prueba de modelos 340
7-6 Adimensionalización de las ecuaciones diferenciales básicas 341
CAPITULO 8 FLUJO INTERNO INCOMPRESIBLE VISCOSO 355
8-1 Introducción 355
PARTE A. FLUJO LAMINAR COMPLETAMENTE DESARROLLADO 357
8-2 Flujo laminar completamente desarrollado entre placas paralelas infinitas 357
8-2.1 Ambas placas estacionarias 357
8-2.2 La placa superior moviéndose con velocidad constante, U 364
8-3 Flujo laminar completamente desarrollado en una tubería 371
PARTE B. FLUJO EN TUBERIAS Y DUCTOS 376
8-4 Distribución de esfuerzos de corte en un flujo completamente desarrollado en una tubería 376
8-5 Perfiles de velocidad turbulentos en un flujo completamente desarrollado en una tubería 379
8-6 Consideraciones de energía de flujo en tubería 381
8-6.1 Coeficiente de energía cinética 383
8-6.2 Pérdida de carga 383
8-7 Cálculo de la pérdida de carga 384
8-7.1 Pérdidas mayores: factor de fricción 384
8-7.2 Pérdidas menores 391
8-7.3 Ductos no circulares 396
8-8 Solución de problemas de flujo en tubería 397
8-8.1 Sistemas de una sola trayectoria 397
8-8.2 Sistemas de trayectorias múltiples 412
PARTE C. MEDICION DE FLUJO 417
8-9 Métodos directos 417
8-10 Restricción de los medidores de flujo para flujos internos 418
8-10.1 La placa de orificio 421
8-10.2 La tobera de flujo 423
8-10.3 El venturi 424
8-10.4 El elemento de flujo laminar 425
8-11 Medidores de flujo lineales 429
8-12 Métodos transversales 430
8-13 Resumen de objetivos 431
CAPITULO 9 FLUJO EXTERNO INCOMPRESIBLE VISCOSO 453
PARTE A. CAPAS LIMITE 454
9-1 Concepto de la capa límite 454
9-2 Espesor de la capa límite 456
9-3 Capa límite laminar de placa plana: solución exacta 459
9-4 Ecuación integral de momento 464
9-5 Empleo de la ecuación integral del momento para el flujo de gradiente de presión cero 470
9-5.1 Flujo laminar 471
9-5.2 Flujo turbulento 476
9-6 Gradientes de presión en flujo de capa límite 479
PARTE B. FLUJO DE FLUIDO ALREDEDOR DE CUERPOS SUMERGIDOS 482
9-7 Arrastre 483
9-7.1 Flujo sobre una placa plana paralela al flujo: arrastre de fricción 484
9-7.2 Flujo sobre una placa plana normal al flujo: arrastre de presión 487
9-7.3 Flujo sobre una esfera y un cilindro: arrastre de fricción y de presión 489
9-7.4 Perfil aerodinámico 495
9-8 Sustentación 498
CAPITULO 10 FLUJO EN CANALES ABIERTOS 539
10-1 Características de los canales abiertos 540
10-2 Propagación de ondas superficiales 542
10-2.1 Velocidad de onda 543
10-2.2 El número de Fraude 545
10-3 Ecuación de la energía para flujo en canal abierto 546
10-3.1 Energía específica 548
10-4 Flujo sin fricción: efecto del cambio de área 551
10-4.1 Flujo sobre una protuberancia 551
10-4.2 Flujo a través de una compuerta de esclusa 554
10-5 Flujo a profundidad normal: flujo uniforme 558
10-5.1 Ecuaciones básicas 558
10-5.2 La correlación de Manning para la velocidad 560
10-5.3 Sección transversal óptima del canal 566
10-5.4 Flujo normal crítico 568
10-6 Flujo con profundidad que varía gradualmente 571
10-6.1 Clasificación de perfiles superficiales 572
10-6.2 Cálculo de perfiles superficiales 576
10-7 El salto hidráulico 580
10-7.1 Ecuaciones básicas 580
10-7.2 Aumento de la profundidad a través de un salto hidráulico 582
10-7.3 Pérdida de carga a través de un salto hidráulico 583
10-8 Mediciones de flujo en canal abierto 586
10-8.1 Vertedores de cresta vertiente afilada 586
10-8.2 Vertedores de cresta vertiente amplia 590
10-8.3 Compuertas de esclusa 591
10-8.4 Canales críticos 592
CAPITULO 11 MAQUINARIA HIDRAULICA 601
11-1 Introducción y clasificación de maquinaria hidráulica 601
11-2 Alcance del material del capítulo 605
11-3 Análisis de turbomaquinaria 605
11-3.1 El principio del momento angular 605
11-3.2 La ecuación de Euler para turbomáquinas 606
11-3.3 Análisis del polígono de velocidad 608
11-4 Características de funcionamiento 616
11-4.1 Parámetros de funcionamiento 616
11-4.2 Análisis dimensional y velocidad específica 627
11-4.3 Reglas de similitud 632
11-4.4 Cavitación y carga neta de succión positiva 636
11-5 Aplicación en sistemas de flujos 638
11-5.1 Máquinas que absorben trabajo 638
11-5.2 Máquinas que producen trabajo 638
CAPITULO 12 INTRODUCCION AL FLUJO COMPRESIBLE 700
12-1 Repaso de termodinámica 700
12-2 Propagación de ondas sonoras 708
12-2.1 Velocidad del sonido 708
12-2.2 Tipos de flujo. El cono de Mach 712
12-3 Estado de referencia: propiedades locales de estancamiento isentrópico 714
12-3.1 Propiedades locales de estancamiento isentrópico local para el flujo de un gas ideal 715
12-4 Condiciones críticas 723
12-5 Resumen de objetivos 724
CAPITULO 13 FLUJO COMPRESIBLE, UNIDIMENSIONAL Y ESTABLE 732
13-1 Ecuaciones básicas para el flujo isentrópico 732
13-2 Efecto de la variación del área sobre las propiedades en flujo isentrópico 736
13-3 Flujo isentrópico de un gas ideal 739
13-3.1 Ecuaciones básicas 739
13-3.2 Condiciones de referencia para el flujo isentrópico de un gas ideal 740
13-3.3 Tablas para el cálculo del flujo isentrópico de un gas ideal 743
13-3.4 Flujo isentrópico en una tobera convergente 745
13-3.5 Flujo isentrópico en una tobera convergente-divergente 751
13-4 Flujo en un ducto de área constante con fricción 758
13-4.1 Ecuaciones básicas para flujo adiabático 758
13-4.2 Flujo adiabático: la línea de Fanno 761
13-4.3 Tablas para el cálculo del flujo de la línea de Fanno de un gas ideal 766
13-4.4 Flujo isotérmico 775
13-5 Flujo sin fricción en un ducto de área constante con intercambio de calor 777
13-5.1 Ecuaciones básicas 777
13-5.2 La línea de Rayleigh 780
13-5.3 Tablas para el cálculo del flujo de la línea de Rayleigh de un gas ideal 786
13-6 Ondas de choque normales 790
13-6.1 Ecuaciones básicas 791
13-6.2 Tablas para el cálculo de ondas de choque normales en un gas ideal 799
13-7 Flujo supersónico en un canal con ondas de choque 804
13-7.1 Flujo en una tobera convergente-divergente 805
13-7.2 Difusor supersónico 807
13-7.3 Operación de túnel de viento supersónico 808
13-7.4 Canal de área constante con fricción 809
13-7.5 Canal de área constante con adición de calor 810
13-8 Resumen de objetivos 813
DATOS DE PROPIEDADES DE FLUIDOS 837
ECUACIONES DE MOVIMIENTO EN COORDENADAS CILINDRICAS 849
CINTAS DE VIDEO Y PELICULAS DE MECANICA DE FLUIDOS 851
SELECCION DE CURVAS DE FUNCIONAMIENTO PARA BOMBAS Y VENTILADORES 854
TABLAS PARA EL CALCULO DE FLUJO COMPRESIBLE 866
ANALISIS DE LA INCERTIDUMBRE EXPERIMENTAL 882
UNIDADES, PREFIJOS Y FACTORES DE CONVERSION DEL SI 890