A la vida quotidiana trobem nombroses aplicacions de la mecànica de fluids sense adonar-nos-en. En aquest article descrivim alguns exemples per mostrar la importància que tenen els fluids a l'enginyeria mecànica i al nostre dia a dia.
La mecànica de fluids és un camp de la física que estudia el comportament dels fluids en repòs o moviment.
Un fluid és una substància que es pot deformar contínuament i que té una resistència finita a la deformació. Depenent de les seves propietats podem distingir els tipus de fluids següents:
-
Fluids compressibles i incompressibles
-
Fluids newtonians i no newtonians
-
Fluids ideals i reals.
Els problemes de mecànica de fluids es resolen mitjançant un conjunt d'equacions matemàtiques com ara l'equació de continuïtat o el principi d'Arquimedes que descriuen el comportament dels fluids. Aquestes equacions es deriven a partir de les lleis fonamentals de la física, com ara la llei de conservació de la massa, la quantitat de moviment i la llei de conservació del moment.
Des d'un punt de vista de l'enginyeria mecànica, de vegades els càlculs per estudiar el moviment de les partícules fluides es combinen amb tècniques de càlcul numèric. El resultat és el que es coneix com a dinàmica de fluids computacional.
Exemple 1: circulació sanguínia
La sang és un exemple de partícules fluides que es mouen per dins del nostre cos. L'aparell circulatori és un exemple de mecànica de fluids en què els conceptes de pressió i densitat són essencials per al seu bon funcionament.
El cor actua com una bomba que impulsa la sang per l'interior de les venes, artèries i capil·lars.
Exemple 2: un sistema de reg
La regulació de la pressió i el cabal daigua en un sistema de reg és un altre exemple daplicació de la mecànica de fluids. La mecànica de fluids es fa servir per calcular el cabal i la pressió necessaris per moure l'aigua a través del sistema.
A la majoria de dissenys d'aspersors el moviment oscil·latori depèn de la pressió de l'aigua. El cabal i la pressió són també elements crucials per definir l'abast de l'aigua.
Exemple 3: Per què volen els avions?
En un avió, les ales creen una força anomenada sustentació que aixeca l'avió i el manté a l'aire. La sustentació es produeix quan el flux daire es divideix al voltant de les ales i es mou més ràpid sobre la part superior de les ales que sobre la part inferior. Això crea una diferència de pressió entre la part superior i inferior de les ales, cosa que produeix la sustentació d'acord amb el principi de Bernouilli.
Exemple 4: Molins de vent
L´aerodinàmica òptima d´un molí de vent utilitzat en una instal·lació d´energia eòlica s´estudia mitjançant la mecànica de fluids. L'aire és un fluid en moviment que, depenent de com es fa l'impacte amb les aspes de l'aerogenerador, varia el rendiment i l'obtenció de l'energia elèctrica generada.
Exemple 5: Per què vola un globus aerostàtic?
Un globus aerostàtic s'enlaira perquè l'aire al voltant del globus té més densitat que el gas dins del globus. La densitat és la massa per unitat de volum, en aquest cas l'aire exterior és més feixuc que l'aire a l'interior del globus que tendeix a pujar.
L'aire calent dins del globus exerceix una pressió cap a fora sobre les parets del globus, i aquesta pressió és més gran que la força gravitacional que està tirant cap avall del globus.
La diferència de pressió és el que permet al globus mantenir-se a l'aire.
Exemple 6: El circuit hidràulic duna central nuclear
L'objectiu d'una central nuclear és generar electricitat a partir de la calor obtinguda mitjançant una reacció de fissió nuclear. La calor obtinguda al reactor nuclear s'utilitza per escalfar un fluid i generar vapor, que és un altre tipus de fluid. El vapor entra a la turbina a alta pressió i velocitat i s'expandeix a través de les paletes de la turbina. Això fa que les paletes girin, cosa que produeix energia mecànica.
L'estudi de les equacions diferencials d'un fluid permet dissenyar turbines més eficients i circuits adequats per suportar aquestes condicions de pressió i temperatura.
Exemple 7: Una central hidràulica
Una central hidràulica és una obra d'enginyeria civil on s'emmagatzema aigua per accionar un conjunt de turbines i generar electricitat.
En aquest exemple de mecànica de fluids s'hi aplica tant l'estàtica com la dinàmica de fluids.
L‟estudi físic de l‟estàtica de fluids és necessari per calcular el dimensionament de la presa d‟aigua per resistir la pressió de l‟aigua. D'altra banda, per calcular el dimensionament i el rendiment de les turbines hidràuliques, cal tenir en compte les equacions que regulen el moviment dels fluids com ara l'equació de Bernoulli o les equacions de Navier-Stokes.
