Trabajo de consulta n 1

Mecnica de Fluidos

Dcil Afonso Gonzlez

Enumerar y describir brevemente los principales sistemas y

componentes de un automvil, donde un fluido es utilizado

para su adecuado funcionamiento.

Sistema de frenos hidrulicos

Al presionar el pedal, se multiplica con reforzadores el esfuerzo que el conductor ejerce al

pisarlo. Dicho esfuerzo se transmite a los frenos por medio de una instalacin hidrulica, en la

que se dispone un cilindro maestro donde se genera la presin en la liga de frenos y la lleva

desde su reservorio hasta cada una de las ruedas. Los discos y tambores frenan ms o menos

las ruedas dependiendo de la presin que reciben.

En este sistema, los lquidos se consideran incompresibles y de acuerdo con el Principio de

Pascal, la presin ejercida sobre un punto cualquiera de una masa lquida se transmite

ntegramente en toda direccin. Al aplicar una fuerza con el pie en un mbolo pequeo, el

fluido la transmite y la amplifica, cumpliendo as la relacin entre las secciones de los mbolos.

Tambin cambia la direccin y el sentido la fuerza aplicada.

Esquema bsico del sistema de frenos hidrulicos

A continuacin se enumeran las partes fundamentales del sistema de frenos hidrulicos:

Cilindro maestro

El cilindro maestro del freno convierte la fuerza que se aplica al pedal de freno en presin

hidrulica y la transfiere a los frenos de las ruedas (eje delantero y trasero).

Vlvula dosificadora

Una vlvula dosificadora ayuda a controlar el flujo de fluidos de baja a alta viscosidad o gases

en equipos pesados, tales como automviles y equipos industriales.

Booster

La funcin del booster, o reforzador de frenos, es minimizar la fuerza requerida para presionar

el pedal y obtener respuesta de frenado.

Caliper o Mordaza

El caliper de freno es el elemento que alberga las pastillas de freno y los pistones de un sistema de frenos de disco, y est colocado en posicin fija con respecto al automvil (es decir, no rota) que basa su funcionamiento en apretar el disco de freno (que gira a la misma velocidad que la rueda) hasta detenerlo.

Hidrovac

El hidrovac, es una pieza fundamental que interviene en el suave frenado de los vehculos. Esta

pieza lleva dos vlvulas que ayudan a que el pedal del freno sea ms suave y d una respuesta

efectiva al momento de detener el vehculo.

Cilindros de las ruedas

Su funcin es la de convertir la fuerza hidrulica, generada por la bomba de freno, en fuerza

mecnica. La fuerza producida empuja los extremos de los patines o zapatas provocando que

la cinta friccione con la campana de freno.

Mangueras y lneas de conexin

Son las encargadas de trasladar el fluido desde el cilindro maestro, hacia las ruedas. Lo recomendable sera que toda la conexin fuese a travs de lneas o tuberas de metal.

Sistema de direccin

Debido al empleo de neumticos de baja presin y gran superficie de contacto, la maniobra en

el volante para orientar las ruedas se complica, sobre todo con el vehculo parado. Como no

conviene sobrepasar un lmite de sensibilizacin se recurre a la asistencia de la direccin, la

cual nos proporciona gran ayuda en la realizacin de las maniobras y permite una menor

desmultiplicacin. Esto nos hace ganar sensibilidad en el manejo pudiendo aplicar volantes de

radio ms pequeo.

La direccin asistida consiste en acoplar a un mecanismo de direccin simple, un circuito de

asistencia llamado servo-mando. Este circuito puede ser accionado por el vaco de la admisin

o el proporcionado por una bomba de vaco, la fuerza hidrulica proporcionada por una

bomba hidrulica, el aire comprimido proporcionado por un compresor que tambin sirve para

accionar los frenos y tambin ltimamente asistido por un motor elctrico (direccin elctrica).

Esquema bsico del sistema de direccin

Independientemente de que se tenga un sistema de bolas de recirculacin o de cremallera y

pin, el aspecto de la direccin hidrulica del sistema funciona bsicamente de la misma

manera y se divide en los siguientes componentes:

Bomba de direccin hidrulica La bomba de direccin hidrulica tiene diferentes tamaos y formas para diversos vehculos, pero todas tienen el mismo propsito. Los fluidos de la direccin hidrulica circulan a travs de su manguera de alta presin hacia la caja de cambios. Posteriormente circulan de vuelta a su reserva por la manguera de retorno. Algunas bombas no pueden ser separadas de la reserva y las encontramos como una sola pieza. Caja de cambios de direccin hidrulica La caja de cambios de direccin hidrulica se utiliza en vehculos que no tienen direccin de cremallera y pin. Las bombas de la direccin hidrulica bombean el fluido de alta presin a la caja de cambios. Dentro de sta, hay una tuerca unida a un tornillo largo (barra de torsin y sistema de vlvula rotativa). El lquido fuerza a que la tuerca se mueva a lo largo del tornillo, dependiendo de cmo la dirijamos. La tuerca hace que el sector, que se encuentra unido a la biela de sonda, se mueva. Por lo tanto, elimina una gran cantidad de friccin causada por el peso del propio vehculo sobre la carretera. El fluido de la direccin hidrulica se devuelve al depsito a travs de la manguera de retorno. Cremallera y pin El mecanismo de cremallera y pin funciona bajo el mismo principio que la caja de cambios, usando mecanismo de tipo tornillo largo y tuerca. La direccin hidrulica bombea fluido a alta presin hacia dicho mecanismo y el lquido empuja a la izquierda o a la derecha cuando viaja a travs de la cremallera y el pin, dependiendo de cmo dirijamos el volante. Entonces regresa por la manguera a la reserva de la direccin.

Sistema de refrigeracin del motor

Durante el funcionamiento del motor, la temperatura alcanzada en el interior de los cilindros es muy elevada, superando los 2000 C en el momento de la combustin. Esta temperatura, al estar por encima del punto de fusin de los metales empleados en la construccin del motor, podra causar la destruccin de los mismos.

Por lo tanto, se necesita de un sistema de refrigeracin que evace el calor producido durante la combustin hasta unos lmites donde se obtenga el mximo rendimiento del motor, sin perjudicar la resistencia mecnica de las piezas ni el poder lubricante de los aceites de engrase.

Los sistemas actualmente empleados para la refrigeracin de los motores, tanto de gasolina

como Diesel, son los siguientes:

Refrigeracin por aire En este sistema se evaca directamente el calor del motor a la atmsfera a travs del aire que lo rodea. La refrigeracin por aire a su vez puede ser:

Refrigeracin directa Se emplea en vehculos donde el motor va expuesto completamente al medio externo. Con Se realiza as la refrigeracin por el aire que hace impacto sobre las aletas durante la marcha del vehculo. Por lo tanto, la refrigeracin ser ms eficaz cuanto mayor sea la velocidad de desplazamiento de dicho vehculo.

Representacin de motor de motocicleta de la marca BMW, con dos cilindros horizontales refrigerados por aire.

Refrigeracin forzada El sistema de refrigeracin forzada por aire es utilizado en vehculos donde el motor va encerrado en la carrocera y, por tanto, con menor contacto con el aire durante su desplazamiento. Consiste en un potente ventilador accionado por el propio motor, que crea una fuerte corriente de aire que se canaliza hacia los cilindros para obtener una ptima refrigeracin an cuando el vehculo se desplace a una baja velocidad.

Esquema de motor de 4 cilindros horizontales refrigerados por

aire (Citroen GSA)

Refrigeracin por agua

Este sistema consiste en un circuito de agua, en contacto directo con las paredes de las

camisas y cmaras de combustin del motor, que absorbe el calor radiado y lo transporta a un

depsito refrigerante donde el lquido se enfra y vuelve al circuito para cumplir nuevamente

su misin refrigerante.

El circuito se establece por el interior del bloque y culata, para lo cual estas piezas se fabrican

huecas, de forma que el lquido refrigerante circunde las camisas y cmaras de combustin

circulando alrededor de ellas.

La circulacin del agua por el circuito de refrigeracin puede realizarse por dos mtodos:

Circulacin del agua por termosifn

El agua caliente entra por la parte alta del radiador, donde se enfra a su paso por los

tubos y aletas refrigerantes en contacto con el aire de desplazamiento. El agua fra, por

el aumento de peso, baja al depsito inferior del radiador y entra en el bosque, donde

al irse calentando va ascendiendo por el circuito interno para salir otra vez al radiador.

La circulacin del agua en el sistema es autorregulable, ya que al aumentar la

temperatura del motor, aumenta tambin la velocidad de circulacin por su circuito

interno, independientemente de la velocidad de rgimen del motor.

Esquema de refrigeracin por termosifn

Circulacin de agua por bomba

La bomba aspira el agua refrigerada de la parte baja del radiador y la impulsa al

interior del bloque a travs de los huecos que rodean las camisas y cmaras de

combustin. El refrigerante sale por la parte superior de la culata y se dirige otra vez al

radiador por su parte alta, donde es enfriada nuevamente a su paso por los paneles de

refrigeracin. Con esta circulacin forzada, el agua se mantiene en el circuito a una

temperatura de 80 a 85 C, con una diferencia entre la entrada y la salida de 8 a 10 C,

controlada por medio de una vlvula de paso (termostato) que mantiene la

temperatura ideal de funcionamiento sin grandes cambios bruscos en el interior de los

cilindros, que podra dar lugar a dilataciones y contracciones de los materiales.

Esquema de refrigeracin por bomba de agua

Una vez hemos clasificado los diferentes tipos de sistemas de refrigeracin, podemos centrarnos en el estudio de los elementos bsicos que componen el mismo:

Esquema interno del motor y su refrigeracin

Radiador Permite intercambiar calor entre dos medios, siendo uno de ellos, el aire ambiente. Sirve para disipar calor de un objeto o aparato para evitar su sobrecalentamiento o para aprovecharlo, calentando un espacio o un objeto.

Bomba centrfuga de agua Aspira el agua del radiador y la hace circular por el interior del bloque y la culata para refrigerar los cilindros y la cmara de combustin.

Vlvula reguladora de temperatura (termostato) Es el encargado de mantener una temperatura de motor adecuada y constante, el cual necesita trabajar con una temperatura del refrigerante de aproximadamente 90 Celsius.

Ventilador El ventilador se sita detrs del radiador y se activa cuando recibe una seal del bulbo de temperatura. Cuando la temperatura del fluido desciende, se apaga.

Historia de la Mecnica de los Fluidos: mostrar utilizando una

tabla lo siguiente: breve biografa del investigador y su principal

contribucin a la ciencia de la mecnica de los fluidos.

Nombre Biografa Contribucin a la Mecnica de Fluidos

Leonardo Da Vinci (1452 1519)

Polmata italiano del siglo conocido principalmente por su destacado talento como pintor, ingeniero e inventor. Escribi un sinfn de ideas revolucionarias que no pudieron ser desarrolladas hasta varios siglos despus.

Se interes por la hidrodinmica y por el cruce de corrientes entre los ros Arno y Mensola, siendo el primero en relacionar la velocidad del fluido con la seccin que lo lleva. Se trata de una aproximacin en al que se considera constante el caudal que atraviesa una seccin del flujo, suposicin habitual en fluidos incompresibles como el agua.

Galileo Galilei (1564 1642)

Fsico y astrnomo italiano que, junto al astrnomo alemn Johannes Kepler, comenz la revolucin cientfica que culmin con la obra del fsico ingls Isaac Newton.

Demostr que la diferencia de presin entre dos puntos de un fluido en reposo depende solo de la variacin de altura. Se trata de la segunda gran base necesaria, tras el trabajo de Arqumedes, para la fluidosttica.

Isaac Newton (1643 1727)

Fsico, filsofo, inventor, alquimista y matemtico ingls, autor de los Philosophiae naturalis principia mathematica, donde describi la ley de gravitacin universal y estableci las bases de la mecnica clsica mediante las leyes que llevan su nombre. Es, a menudo, calificado como el cientfico ms grande de todos los tiempos, y su obra como la culminacin de la revolucin cientfica.

Cre el clculo integral y diferencial. Adems trabaj en una ley de la viscosidad, que defini el concepto en la mecnica de fluidos a travs de la relacin del esfuerzo cortante y la tasa de deformacin del fluido. Tambin estableci una ley para la conveccin en un fluido, que abri el comienzo a las consideraciones trmicas en el seno de un fluido.

Daniel Bernoulli (1700 1782)

Matemtico, estadstico, fsico y mdico holands-suizo, perteneciente a una familia de destacados matemticos. Destac no slo en matemtica pura, sino tambin en las aplicadas. Hizo importantes contribuciones en hidrodinmica y elasticidad.

Se le acredita el haber escrito el primer manual de mecnica de fluidos (Hydrodynamica) pero sobre todo el haber enunciado) la Ecuacin de Bernoulli, que liga la energa cintica, potencial y la presin de un fluido de forma aproximada y permite facilitar mucho los clculos.

Leonhard Euler (1707 1783)

Respetado matemtico y fsico. Se le considera el principal matemtico del siglo XVIII y como uno de los ms grandes de todos los tiempos. Vivi en Rusia y

Adems de contribuir al desarrollo de la teora matemtica subyacente a la fsica dio las formas actuales de

Alemania la mayor parte de su vida y realiz importantes descubrimientos en reas tan diversas como el clculo o la teora de grafos.

la ecuacin de continuidad (analizando la conservacin de la masa) y la del momento lineal (analizando las fuerzas y el movimiento que causan), dando lugar a las ecuaciones de Euler, que posteriormente seran la base de las de Navier-Stokes.

Claude Louis Marie Henri Navier (1785 1836)

Mdico fisilogo francs que experiment un largo periodo de su vida durante la transicin de la primera revolucin industrial a la segunda revolucin industrial. Es considerado como uno de los cientficos de Francia ms influyentes despus de Antoine Lavoisier y Louis Pasteur.

Su mayor contribucin constituyen las ecuaciones que escriben la dinmica de un fluido no compresible (ver: Hidrodinmica). Estas se conocen hoy da como ecuaciones de Navier-Stokes.

Jean Louis Marie Poiseuille (1799 1869)

Mdico fisilogo francs que experiment un largo periodo de su vida durante la transicin de la primera revolucin industrial a la segunda revolucin industrial. Es considerado como uno de los cientficos de Francia ms influyentes despus de Antoine Lavoisier y Louis Pasteur.

Aunque fue de manera independiente, l y Gotthilf Hagen llegaron a la Ley de Hagen-Poiseuille, que describe el comportamiento de un fluido que se mueve por accin de la diferencia de presin.

George Gabriel Stokes (1819 1903)

Matemtico y fsico irlands. Fue profesor en Cambridge desde 1849 hasta su muerte y presidente de la Sociedad Real desde 1885 hasta 1890.

Realiz contribuciones importantes a la dinmica de fluidos, incluyendo las ecuaciones de Navier-Stokes

Ernst Mach (1838 1916)

Fsico y filsofo austraco. Trabaj como catedrtico de matemticas en la Universidad de Graz y de 1867 a 1895 como catedrtico de fsica experimental en la Universidad de Praga. Sufri un ataque de apopleja en 1897, que le produjo parlisis parcial, por lo que abandon la Universidad en 1901.

Descubri que la relacin entre la velocidad a la que se desplaza el cuerpo y la velocidad del sonido es un factor fsico de gran importancia. Dicho factor se conoce con el nombre de nmero de Mach, en su honor.

Osborne Reynolds (1842 1912)

Ingeniero y fsico irlands que realiz importantes contribuciones en los campos de la hidrodinmica y la dinmica de fluidos. Tras estudiar matemticas en Cambridge, fue profesor de ingeniera en el Owens College (actual Universidad) de Manchester en 1886 y miembro de la Royal Society en 1887. Adems de ser uno de los fsicos tericos ms relevantes del siglo XIX, invent el termodifusmetro. En 1883 defini la cantidad adimensional que determina el tipo de flujo (laminar o turbulento) que presenta un fluido, bautizado como nmero de Reynolds.

Responsable del teorema del transporte de Reynolds con los que las ecuaciones de la dinmica adquirieron su forma moderna. Innovador tambin en flujo viscoso y lubricacin, su trabajo fue vital para el posterior desarrollo que se dara en dichos campos. Fue un pionero del estudio de la turbulencia, estudiando sus causas, dando lugar a los conceptos de flujo turbulento y laminar.

Ludwig Prandtl (1875 1953)

Fsico alemn. Prandtl ser convirti en profesor de mecnica en la universidad de Hannover en 1901. Desde 1904 hasta 1953 se desempe como profesor de mecnica aplicada en la universidad de Gottingen, donde estableci una escuela de aerodinmica e hidrodinmica que alcanz gran reconocimiento a escala mundial.

En sus estudios identific la capa lmite, y elabor la teora de la lnea sustentadora para alas esbeltas. El nmero de Prandtl, que desempea un importante papel en el anlisis de problemas de fluidos ha sido nombrado en su honor.

Theodore Krmn (1881 1963)

Ingeniero y fsico hngaro-estadounidense originario de una familia juda que tuvo que emigrar durante el nazismo. Se haba formado con Prandtl en la Universidad de Gttingen y haba trabajado en instituciones del mximo nivel acadmico alemn como RWTH Aachen. En Amrica, acepta la jefatura del Guggenheim Aeronautical Laboratory en el Instituto Tecnolgico de California y se convierte en un elemento clave del avance aeronutico estadounidense.

Complet el trabajo de Prandtl en capa lmite y el de Joukosvki en perfiles alares, adems de desarrollar trabajos sobre dinmica de fluidos transnica y supersnica.

Geoffrey Ingram Taylor (1886 1975)

Fsico y matemtico ganador de distinciones como la medalla Copley y considerado uno de los mayores fsicos del siglo XX. Su trabajo abarca la dinmica de fluidos, la teora de ondas y la mecnica del slido deformable. Tena un inters personal por los fluidos, practicando la navegacin, el pilotaje de aeronaves e incluso el salto en paracadas.

Trabaj en ondas de choque y en la aplicacin de flujo turbulento en la meteorologa. Enunci el Teorema de Taylor-Proudman. Estos flujos son hoy conocidos como Flujo de Couette-Taylor y caracterizados por el nmero de Taylor. Tambin desarroll un mtodo para medir la viscosidad mediante burbujas y la dispersin en flujos con superficies porosas

Cul es la diferencia entre gas y vapor? Utilice un

ejemplo para explicarla.

La diferencia entre gas y vapor es tan slo una diferencia de estado termodinmico, en

absoluto es una diferencia de estado de agregacin. La principal caracterstica que pone de

manifiesto la discrepancia entre un gas y un vapor es que:

Un vapor puede licuarse por compresin isoterma y, en cambio, en un gas no puede

hacerse (para licuar un gas es necesario enfriarlo por debajo de la temperatura crtica).

Por ejemplo, el agua se encuentra en estado de vapor entre 100C (punto de ebullicin) y

374C (temperatura crtica). Podramos comprimir este vapor a temperatura constante para

conseguir que pase a estado lquido.

Sin embargo, una vez se han superado los 374C pasara a estado gaseoso y no se podra licuar

simplemente por una compresin a isoterma.