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Hidrodinámica o Dinámica de los fluidos - Parte II

Rapidez y volumen de flujo de fluido

La cantidad de flujo (volumen) que fluye en un sistema por unidad de tiempo se puede expresar como:

Volumen del flujo (Q) .

Q es el volumen de flujo de fluido que pasa por una sección por unidad de tiempo (más conocido como caudal ).

Caudal  (Q)

El significado de la palabra caudal es parecido al que conocemos de la vida diaria.

Por ejemplo, se habla de un río caudaloso (o sea, de un río que lleva mucha agua). Se habla de caudal de autos en una autopista, de caudal de información o de un gran caudal de turistas que llegan al país.

Entonces, en física, caudal ( Q ) es  la cantidad de líquido que pasa por un ducto durante cierto tiempo.

Concretamente, el caudal (Q) estaría dado por el volumen de líquido que circula dividido por el tiempo.

Expresado como una fórmula, sería:

fluidos004

El caudal se mide unidades de volumen dividido unidades de tiempo.

Generalmente se usan m 3 /seg o litro/seg. A veces también se usa kg/seg.

Estas no son las únicas unidades que se usan. No deben extrañarse si en un problema aparece un caudal en cm 3 /seg,  dm 3 /seg o en litros/hora.

Unidades de caudal pueden ser también

fluidos005

Nota: La unidad kilogramos/hora o kg/seg es lo que se llama "caudal másico". Vendría a ser la cantidad de masa que pasa por un ducto durante un cierto tiempo. A veces se puede dar como dato el caudal másico. ( O se puede pedir que lo calculen).

Sabiendo el caudal másico se puede sacar al caudal en m 3 por segundo dividiendo la masa por la densidad del líquido.

¿Cómo se mide un caudal en la práctica?

De modo muy simple.

Si queremos saber cuánto caudal de agua sale por una llave (canilla o grifo) de una casa, se pone un balde abajo y medimos cuánto tarda en llenarse.

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Así se mide un caudal en la práctica.

Tomado el tiempo, sabiendo cuántos litros cargó el balde se hace la operación

fluidos004

Una llave (canilla o grifo)  común tira (arroja un caudal de) entre 5 y 10 litros por minuto.

Otra fórmula para calcular el caudal

A veces se presentan situaciones más complicadas y no es posible medir el caudal de esta manera. Entonces se usan otros métodos más raros.

Por ejemplo, para saber qué caudal bombea el corazón (el corazón bombea alrededor de 5 litros por minuto).

Así, otra fórmula para calcular el caudal sería multiplicar el área de la sección (A) por la velocidad del líquido

fluidos007

Donde

Vel = velocidad

A =  área de la sección o superficie

Veamos. Sabemos desde antes que el caudal es el volumen que circula dividido por el tiempo que demora.

fluidos008

Esto implica que hay un líquido que se mueve dentro de un caño (ducto o cañería) que tiene un determinado diámetro (área, superficie o sección).

Al moverse dentro del caño dicho líquido recorre una cierta distancia d .

Entonces, el volumen que circula lo podemos obtener con la fórmula

Volumen = Superficie, área o sección (A)  del caño x distancia.

Vol = A x d

Y si tenemos la fórmula anterior

fluidos009

Reemplazamos y nos queda

fluidos010

Por conocimientos anteriores, sabemos que la fórmula fluidos011 nos proporciona el valor de la velocidad, por tanto:

fluidos007

Vamos a un ejemplo:

Cierta llave (canilla) nos permite llenar un balde agua de 10 litros en 2 minutos:

Con estos datos,

a) calcular el caudal que sale por la llave

b) calcular la velocidad con que sale el agua si la sección (diámetro) de la llave es 1 cm 2 .

Solución

a) Si por la llave salieron 10 litros en 2 minutos, aplico la fórmula para calcular el caudal:

fluidos012

b) Ahora, para calcular la velocidad con que sale el agua, recurro a la fórmula

fluidos007

Pero el caudal ya lo conocemos, y el área (A)  (la superficie o sección del caño) también, hacemos:

fluidos013

Para facilitar el cálculo reformulamos las unidades que tenemos.

fluidos014

Entonces

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Velocidad del agua a la salida de la llave.

Atención: Si el valor de la velocidad se diera en metros por segundos y la sección (su área o superficie) se indicara en metros cuadrados, tendríamos el caudal en metros cúbicos por segundo.

Ir a: Hidrodinámica, Parte III

Fuentes Internet:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/reynolds/reynolds.htm

http://www.metalurgia.uda.cl/apuntes/Jchamorro/Mecanica-fluidos%20I/Mec%C3%A1nica%20I%20-%20Ecuaci%C3%B3n%20de%20Bernoulli%20%5BModo%20de%20compatibilidad%5D.pdf

http://www.lawebdefisica.com/dicc/bernoulli/

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/dinamica_fluidos/ap01_hidrodinamica.php

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/fluidos/html/fluidos.html

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/bernoulli/bernouilli.htm

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