Table Of ContentMECÁNICA
DE
FLUÍDOS
cuarta edición
MERLE C. POTTER
DAVID C. WIGGERT
BASSEM H. RAMADAN
Mecánica de fluidos
Mecánica de fluidos
Cuarta edición
Merle C. Potter
Michigan State University
David C. Wiggert
Michigan State University
Bassem Ramadan
Kettering University
con
Tom I-P. Shih
Purdue University
Traducción:
Ing. Jorge Humberto Romo Muñoz
Traductor profesional
Revisión Técnica:
Ing. Javier León Cárdenas
Profesor de Ciencias Básicas
Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas
Instituto Politécnico Nacional
Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur
Mecánica de fluidos © D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.,
Cuarta edición una Compañía de Cengage Learning, Inc.
Merle C. Potter Corporativo Santa Fe
David C. Wiggert Av. Santa Fe núm. 505, piso 12
Bassem Ramadan Col. Cruz Manca, Santa Fe
C.P. 05349, México, D.F.
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Fernando Valenzuela Migoya
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Latinoamérica
Pilar Hernández Santamarina
Traducido del libro Mechanics of Fluids
Gerente de Proyectos Especiales Fourth edition
Luciana Rabuffetti Merle C. Potter
David C. Wiggert
Coordinador de Manufactura Bassem Ramadan
Rafael Pérez González
Publicado en inglés por Cengage Learning © 2012
Editor
Sergio R. Cervantes González ISBN 13: 978-0-495-66773-5
Diseño de portada Datos para catalogación bibliográfica:
Anneli Daniela Torres Arroyo Potter, Merle C., David C. Wiggert y Bassem Ramadan
Mecánica de fluidos
Imágenes de portada ISBN 13: 978-607-519-459-2
© Paulo Manuel Furtado Pires/
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http://latinoamerica.cengage.com
Composición tipográfica
Gerardo Larios García
Impreso en México
1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14
Contenido
CAPÍTULO 1
CONSIDERACIONES BÁSICAS 3
1.1 Introducción 4
1.2 Dimensiones, unidades y cantidades físicas 4
1.3 Concepto de medio continuo de gases y líquidos 8
1.4 Escalas de presión y temperatura 11
1.5 Propiedades de los fluidos 14
1.6 Leyes de conservación 23
1.7 Propiedades y relaciones termodinámicas 24
1.8 Resumen 30
Problemas 32
CAPÍTULO 2
ESTÁTICA DE FLUIDOS 39
2.1 Introducción 40
2.2 Presión en un punto 40
2.3 Variación de la presión 41
2.4 Fluidos en reposo 43
2.5 Recipientes linealmente acelerados 67
2.6 Recipientes giratorios 69
2.7 Resumen 72
Problemas 74
CAPÍTULO 3
INTRODUCCIÓN AL MOVIMIENTO DE FLUIDOS 87
3.1 Introducción 88
3.2 Descripción del movimiento de fluidos 88
3.3 Clasificación de los flujos de fluidos 100
3.4 La ecuación de Bernoulli 107
3.5 Resumen 116
Problemas 117
CAPÍTULO 4
FORMAS INTEGRALES DE LAS
LEYES FUNDAMENTALES 127
4.1 Introducción 128
4.2 Las tres leyes básicas 128
4.3 Transformación de un sistema a un volumen de control 132
v
vi Contenido
4.4 Conservación de la masa 137
4.5 Ecuación de la energía 144
4.6 Ecuación de la cantidad de movimiento 157
4.7 Ecuación del momento de la cantidad de movimiento 176
4.8 Resumen 179
Problemas 182
CAPÍTULO 5
FORMAS DIFERENCIALES DE LAS LEYES
FUNDAMENTALES 203
5.1 Introducción 204
5.2 Ecuación diferencial de continuidad 205
5.3 Ecuación diferencial de la cantidad de movimiento 210
5.4 Ecuación diferencial de la energía 223
5.5 Resumen 229
Problemas 231
CAPÍTULO 6
ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SIMILITUD 237
6.1 Introducción 238
6.2 Análisis dimensional 239
6.3 Similitud 248
6.4 Ecuaciones diferenciales normalizadas 258
6.5 Resumen 262
Problemas 263
CAPÍTULO 7
FLUJOS INTERNOS 271
7.1 Introducción 272
7.2 Flujo de entrada y flujo desarrollado 272
7.3 Flujo laminar en un tubo 274
7.4 Flujo laminar entre placas paralelas 281
7.5 Flujo laminar entre cilindros giratorios 288
7.6 Flujo turbulento en un tubo 292
7.7 Flujo uniforme turbulento en canales abiertos 325
7.8 Resumen 329
Problemas 331
CAPÍTULO 8
FLUJOS EXTERNOS 345
8.1 Introducción 346
8.2 Separación 350
8.3 Flujo alrededor de cuerpos sumergidos 352
8.4 Sustentación y resistencia al avance en superficies aerodinámicas 367
8.5 Teoría del flujo potencial 372
8.6 Teoría de la capa límite 385
8.7 Resumen 409
Problemas 411
Contenido vii
CAPÍTULO 9
FLUJO COMPRESIBLE 425
9.1 Introducción 426
9.2 Velocidad del sonido y el número de Mach 427
9.3 Flujo isentrópico a través de una tobera 431
9.4 Onda de choque normal 442
9.5 Ondas de choque en toberas convergentes-divergentes 449
9.6 Flujo de vapor a través de una tobera 454
9.7 Onda de choque oblicua 456
9.8 Ondas isentrópicas de expansión 461
9.9 Resumen 465
Problemas 466
CAPÍTULO 10
FLUJO EN CANALES ABIERTOS 473
10.1 Introducción 474
10.2 Flujos en canales abiertos 475
10.3 Flujo uniforme 478
10.4 Conceptos de energía 484
10.5 Conceptos de la cantidad de movimiento 498
10.6 Flujo no uniforme gradualmente variado 510
10.7 Análisis numérico de perfiles de superficies de agua 518
10.8 Resumen 528
Problemas 529
CAPÍTULO 11
FLUJOS EN SISTEMAS DE TUBERÍAS 543
11.1 Introducción 544
11.2 Pérdidas en sistemas de tuberías 544
11.3 Sistemas de tuberías simples 550
11.4 Análisis de redes de tuberías 561
11.5 Flujo no permanente en tuberías 574
11.6 Resumen 582
Problemas 583
CAPÍTULO 12
TURBOMAQUINARIA 599
12.1 Introducción 600
12.2 Turbobombas 600
12.3 Análisis y similitud dimensional para turbomaquinaria 617
12.4 Uso de turbobombas en sistemas de tuberías 626
12.5 Turbinas 632
12.6 Resumen 647
Problemas 648
viii Contenido
CAPÍTULO 13
MEDICIONES EN MECÁNICA DE FLUIDOS 655
13.1 Introducción 656
13.2 Medición de parámetros de flujo local 656
13.3 Medición del gasto 664
13.4 Visualización del flujo 673
13.5 Adquisición y análisis de datos 681
13.6 Resumen 693
Problemas 693
CAPÍTULO 14
DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL 697
14.1 Introducción 698
14.2 Ejemplos de métodos de diferencia finita 699
14.3 Estabilidad, convergencia y error 710
14.4 Solución del flujo de Couette 717
14.5 Solución de flujo potencial de estado permanente bidimensional 721
14.6 Resumen 726
Bibliografía 728
Problemas 729
APÉNDICE 733
A. Unidades y conversiones en relaciones vectoriales 733
B. Propiedades de fluidos 735
C. Propiedades de áreas y volúmenes 741
D. Tablas para flujo compresible de aire 742
E. Soluciones numéricas del capítulo 10 751
F. Soluciones numéricas del capítulo 11 758
BIBLIOGRAFÍA 773
Referencias 773
Interés general 774
RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS 776
ÍNDICE 785
Prefacio
La motivación para escribir un libro es difícil de describir. Con mucha frecuencia los au-
tores sugieren que los otros textos sobre la materia tienen ciertas deficiencias que ellos
corregirán, por ejemplo una descripción precisa de flujos de entrada y de flujos alrededor
de objetos desafilados, la diferencia entre flujo en una dimensión y un flujo uniforme, la
correcta presentación de la derivación de un volumen de control, o una definición de flujo
laminar que sea lógica. Los nuevos autores, por supuesto, ¡introducen otras deficiencias
que futuros autores esperan corregir! Y la vida continúa. Éste es otro libro sobre fluidos
que ha sido escrito con la esperanza de presentar un punto de vista mejorado de la mecá-
nica de fluidos para que el estudiante de licenciatura pueda entender los conceptos físicos
y siga las matemáticas. Esto no es una tarea fácil: la mecánica de fluidos es un tema que
contiene muchos fenómenos difíciles de entender. Por ejemplo, ¿cómo se explicaría el
agujero hecho en la arena por el agua en el lado de corriente arriba de un contrafuerte
o estribo? ¿O la elevada concentración de esmog en la zona de Los Ángeles (no existe
el mismo nivel en Nueva York)? ¿O el inesperado y fuerte viento alrededor de la es-
quina de un edificio alto en Chicago? ¿O la vibración y subsiguiente colapso de un gran
puente de acero y concreto debido al viento? ¿O los vórtices de salida observados detrás
de un enorme avión comercial? Hemos tratado de presentar la mecánica de fluidos de
modo que el estudiante pueda entender y analizar muchos de los importantes fenómenos
encontrados por el ingeniero.
El nivel matemático de este libro está basado en cursos previos de matemáticas reque-
ridos en todos los currículos de ingeniería. Usamos soluciones para ecuaciones diferen-
ciales y álgebra vectorial. Aplicamos un poco de cálculo vectorial con el uso del operador
gradiente, pero se mantiene al mínimo puesto que tiende a ocultar la física involucrada.
Numerosos textos conocidos sobre mecánica de fluidos no han presentado los flujos
de fluidos como campos, es decir, han presentado principalmente los flujos que pueden
ser aproximados como flujos en una dimensión y han tratado otros flujos usando datos
experimentales. Debemos reconocer que cuando un fluido fluye alrededor de un objeto,
por ejemplo un edificio o un contrafuerte, su velocidad posee las tres componentes que
dependen de las tres variables espaciales y, con frecuencia, del tiempo. Si presentamos las
ecuaciones que describen tal flujo general, las ecuaciones se conocen como ecuaciones de
campo, y los campos de velocidad y presión son entonces de interés. Esto es muy seme-
ix
