La ingeniería civil debe recurrir a la hidrodinámica.
La hidrodinámica es el área de la física que se dedica a analizar el movimiento de los fluidos. Un fluido, en tanto, es una sustancia que al estar en reposo no resiste esfuerzos cortantes y cuyas partículas generalmente se encuentran unidas entre sí por una fuerza de atracción que resulta débil.
Dado que los líquidos y los gases son fluidos, ambos estados de la materia podrían ser objeto de estudio por parte de la hidrodinámica. Sin embargo, suele considerarse que esta rama científica se centra específicamente en la investigación de las características del movimiento de los fluidos incompresibles: es decir, del agua y de otros líquidos. Los gases, por su parte, son estudiados por la aerodinámica. En la práctica, no obstante, no se da una separación tan marcada o fija.
De esta manera, la hidrodinámica toma a los líquidos incompresibles (cuya densidad no se altera con las modificaciones de presión) como punto de partida. Además considera, si apelamos a una simplificación, que el flujo de los líquidos se da en un régimen estacionario (con una velocidad independiente del tiempo en cualquier punto) y con una pérdida energética por viscosidad que es despreciable.
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ResumenLos orígenes
Se alude a «Hydrodynamica», una obra publicada en 1738 por el físico suizo Daniel Bernoulli, como el trabajo pionero para el desarrollo de la hidrodinámica. Este científico, de hecho, aporta el nombre a una de las leyes fundamentales de este campo del saber.
El principio de Bernoulli sostiene que, en un fluido ideal que circula por un conducto cerrado, la energía se mantiene constante durante todo el recorrido. Al tratarse de un fluido ideal, no se tienen en cuenta el rozamiento ni la viscosidad. La formulación general de dicho principio se conoce como teorema de Bernoulli, mientras que la expresión matemática de dicho teorema es el principio o ecuación de Bernoulli.
De este principio deriva el teorema de Torricelli, que postula que la velocidad de un fluido en un recipiente abierto es igual a la de cualquier cuerpo que cae al vacío libremente desde el nivel del fluido hasta llegar al centro de la abertura.
La hidrodinámica y el número de Reynolds
Otro concepto importante para la hidrodinámica es el número de Reynolds, un número adimensional que relaciona las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas que actúan en un fluido. Así vincula la velocidad, la viscosidad y la densidad en una expresión.
Cuando se habla de número adimensional, significa que no está vinculado a ninguna unidad física que pueda definirlo, de manera que se trata de uno puro. Se usa como cociente o producto de cantidades que sí cuentan con unidades, de manera que se simplifiquen. El número de Reynolds, en este marco, es un cociente entre el transporte convectivo y el viscoso de cantidad de movimiento.
Una bomba centrífuga funciona de acuerdo a los principios de la hidrodinámica.
La noción de caudal
Tampoco podemos dejar de lado el caudal, un concepto que se usa en dinámica de fluidos para definir la cuantía de fluido que, por cada unidad de tiempo, circula en una parte del ducto (que pueden ser ríos, oleoductos, canales, cañerías o tuberías, entre otras posibilidades). Por lo general, se relaciona con el flujo volumétrico, el volumen que atraviesa una superficie determinada en un tiempo dado.
La variable que se usa en este contexto es la G, dado que también se conoce con el nombre de gasto, aunque también puede utilizarse la Q. Se trata de una de las más importantes magnitudes dentro del campo de la hidrodinámica. Con respecto a su ecuación, para resolver el gasto se debe llevar a cabo la razón entre el volumen de líquido (que se expresa como ΔV, siendo el primer símbolo la letra griega delta, que hace referencia a un cambio en el valor a lo largo del tiempo) y la unidad de tiempo (Δt): G = ΔV / Δt.
De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades, el caudal se expresa en metros cúbicos por segundo. Esto significa que ΔV debemos indicarlo en metros cúbicos, y Δt, en segundos. Dependiendo de los valores que tengamos a nuestra disposición, tras resolver esta ecuación podemos obtener uno de los siguientes dos posibles datos: cuánto tiempo tarda en pasar un volumen de líquido dado; cuánta cantidad de dicho líquido puede pasar en un intervalo dado.
En mecánica de fluidos, se llama hidrodinámica clásica a la rama dedicada al análisis teórico de los fluidos incompresibles en movimiento.
Ejemplos de hidrodinámica
Los principios de la hidrodinámica son claves en numerosos sistemas, procesos y estructuras. A través de ellos, por ejemplo, se controla la fuerza del agua en las represas, evitando que haya desbordes.
La plomería también apela a los conocimientos de la hidrodinámica. Una tubería o cañería eficiente requiere la gestión adecuada de la velocidad y el caudal del agua.
También podemos aludir a un ejemplo de hidrodinámica más cotidiano y simple. Pensemos en lo que sucede cuando bebemos un refresco a través de un sorbeto, sorbete, pajita, pajilla o popote. Cuando succionamos, la presión del aire en el interior del conducto disminuye. Así, la presión del aire exterior impulsa el refresco hacia arriba, que con ese empuje pasa de la zona presión más elevada a aquella de presión inferior.
