Mecanica de Fluidos e Hidraulica - Ranald v. Giles

5/10/2018 Mecanica de Fluidos e Hidraulica - Ranald v. Giles - slidepdf.com

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Prólogo

Este libro ha sido concebido con el principal propósito de complementar los textos ordinarios (demecánica de los fluidos e hidráulica. Se basa en la convicción del autor de que el esclarecimiento ycomprensión de los principios fundamentales de cualquier rama de la mecánica se obtienen mejor mediantenumerosos ejercicios ilustrativos.

La anterior edición de este libro ha sido acogida muy favorablemente. En esta segunda edición,muchos de los capítulos han sido revisados y adicionados con objeto de poner al día determinados temas deacuerdo con los más recientes conceptos, métodos y terminología. Se ha dedicado especial atención alanálisis dimensional recogiendo los nuevos materiales en el Capítulo 5. La revisión más extensa se hallevado a cabo en los capítulos que tratan los fundamentos del flujo de fluidos, flujo de fluidos entuberías y flujo en canales abiertos.

La materia se divide en capítulos que abarcan áreas bien definidas de teoría y estudio. Cada capítulose inicia con el establecimiento de las definiciones pertinentes, principios y teoremas, junto con elmaterial ilustrativo y descriptivo al que sigue una serie de problemas resueltos y problemas propuestos. Los

problemas resueltos ilustran y amplían la teoría, presentan métodos de análisis, proporcionan ejemplosprácticos e iluminan con aguda perspectiva aquellos aspectos de detalle que capacitan al estudiante paraaplicar los principios fundamentales con corrección y seguridad. El análisis del cuerpo libre, los diagramasvectoriales, los principios de trabajo y energía de la cantidad de movimiento y las leyes de Newton seutilizan a lo largo de todo el libro. No se ha regateado esfuerzo para presentar problemas originalesdesarrollados por el autor en los largos años dedicados a la enseñanza de .esta materia. Entre los problemasresueltos se incluyen numerosas demostraciones de teoremas y deducciones de fórmulas. El elevadonúmero de problemas propuestos asegura un repaso completo del material de cada capítulo.

Los alumnos de las Escuelas de Ingeniería reconocerán la utilidad de este libro al estudiar la me-cánica de los fluidos y, adicionalmente, aprovecharán la ventaja de su posterior empleo como libro dereferencia en su práctica profesional. Encontrarán soluciones muy detalladas de numerosos problemasprácticos y, cuando lo necesiten, podrán recurrir siempre al resumen de la teoría. Asimismo, el libropuede servir al ingeniero profesional que ha de recordar esta materia cuando es miembro de un tribunalexaminador o por cualesquiera otras razones.

Deseo expresar mi agradecimiento a mi colega Robert C. Stiefel, que ha comprobado cuidado-samente la solución de muchos de los nuevos problemas. También he de expresar mi gratitud a la redacciónde la Schaum Publishing Company y, muy particularmente, a Henry Hayden y Nicola Miracapillo, por susinestimables sugerencias e inapreciable cooperación.

RANALD V. GILES



Tabla de materias

Capítulo 1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

La mecánica de los fluidos y la hidráulica. Definición de fluido. Sistema técnico deunidades. Peso específico. Densidad de un cuerpo. Densidad relativa de un cuerpo.Viscosidad de un fluido. Presión de vapor. Tensión superficial. Capilaridad. Presiónde un fluido. La presión. Diferencia de presiones. Variaciones de la presión en unfluido compresible. Altura o carga de presión h. Módulo volumétrico de elasticidad(E). Compresión de los gases. Para condiciones isotérmicas. Para condicionesadiabáticas o isoentrópicas. Perturbaciones en la presión.

Capítulo 2 FUERZAS HIDROSTÁTICAS SOBRE LAS SUPERFICIES. . . . . . . . 22

Introducción. Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana. Tensión

circunferencial o tangencial. Tensión longitudinal en cilindros de pared delgada.

Capítulo 3 EMPUJE Y FLOTACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Principio de Arquímedes. Estabilidad de cuerpos sumergidos y flotantes.

Capítulo 4 TRASLACIÓN Y ROTACIÓN DE MASAS LIQUIDAS. . . . . . . . . . . 42

Introducción. Movimiento horizontal. Movimiento vertical. Rotación de masasfluidas. Recipientes abiertos. Rotación de masas fluidas. Recipientes cerrados.

Capítulo 5 ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRÁULICA . . . . . . . 50

Introducción. Análisis dimensional. Modelos hidráulicos. Semejanza geométrica.Semejanza cinemática. Semejanza dinámica. La relación entre las fuerzas de inercia.Relación de las fuerzas de inercia a las de presión. Relación de las fuerzas de inercia alas viscosas. Relación de las fuerzas de inercia a las gravitatorias. Relación de lasfuerzas de inercia a las elásticas. Relación de las fuerzas de inercia a la de tensiónsuperficial. Relación de tiempos.

Capítulo 6 FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Introducción. Flujo de fluidos. Flujo permanente. Flujo uniforme. Líneas decorriente. Tubos de corriente. Ecuación de continuidad. Red de corriente. Ecuaciónde la energía. Altura de velocidad. Aplicación del teorema de Bernoul-li. Línea deenergías o de alturas totales. Línea de alturas piezométricas. Potencia.

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Capítulo 7 FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS.

Introducción. Flujo laminar. Velocidad crítica. Número de Reynolds. Flujo

turbulento. Tensión cortante en la pared de una tubería. Distribución de

velocidades. Pérdida de carga en flujo laminar. Fórmula de Darcy-Weisbach.

Coeficiente de fricción. Otras pérdidas de carga.

Capítulo 8 SISTEMAS DE TUBERÍAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Sistemas de tubejías. Sistemas de tuberías equivalentes. Sistemas de tuberíascompuestas o en serie, en paralelo y ramificadas. Métodos de resolución.Fórmula de Hazen-Williams.

Capítulo 9 MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Introducción. Tubo de Pitot. Coeficiente de descarga. Coeficiente de velocidad.Coeficiente de contracción. Pérdida de carga. Vertederos de aforo. Fórmula teóricade un vertedero. Fórmula de Francis. Fórmula de Banzin. Fórmula de Fteley yStearns. Fórmula del vertedero triangular. La fórmula del vertedero trapezoidal.Para presas empleadas como vertederos. E! tiempo de

vaciado de depósitos. El tiempo para establecer el flujo. \

Capítulo 10 FLUJO EN CANALES ABIERTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Canal abierto. Flujo uniforme y permanente. Flujo no uniforme. Flujo laminar.

La fórmula de Chezy. El coeficiente C. El caudal Q. La pérdida de carga.

Distribución vertical de la velocidad. Energía específica. Profundidad crítica.

Caudal unitario máximo. En canales no rectangulares y para un flujo critico.

Flujo no uniforme. Los vertederos de aforo de pared gruesa. Resalto hi-

dráulico.

Capítulo // FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN

MOVIMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introducción. El principio de impulso-caníidad de movimiento. El coeficiente decorrección de la cantidad de movimiento. Resistencia. Sustentación. Resistencia total.Coeficientes de resistencia. Coeficientes de sustentación. Número de Mach. Teoría dela capa límite. Placas planas. Golpe de ariete. Velocidades supersónicas.

Capítulo 12 MAQUINARIA HIDRÁULICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

Maquinaria hidráulica. En el caso de rodetes. Ruedas hidráulicas, bombas y soplantes.Velocidad específica. Rendimiento. Cavitación. Propulsión por hélices. Loscoeficientes de la hélice.

TABLA DE MATERIAS

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TABLA DE MATERIAS

Tabla 1. Propiedades aproximadas de algunos gases.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 2. Densidad relativa y viscosidad cinemática de algunos líquidos. . . . . . . 247 3. Coeficiente de fricción / para agua solamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

4. Pérdidas de carga en accesorios.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5. Valores de K*. Contracciones y ensanchamientos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 6. Algunos valores del coeficiente C l de Hazen-Williams. . . . . . . . . . . . . . 250 7. Coeficientes de desagüe para orificios circulares de arista viva.. . . . . . 251 8. Algunos factores de expansión Y para flujo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9. Algunos valores medios de n empleados en las fórmulas de Kutter y de

Manning y de m en la fórmula de Bazin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

10. Valores de C de la fórmula de Kutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 11. Valores del factor de descarga K para canales trapezoidales. . . . . . . . . 254 12. Valores del factor de descarga K' para canales trapezoidales. . . . . . . . 255 13. Áreas, de círculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.256 14. Pesos y dimensiones de tuberías de fundición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

Diagrama de Moody para coeficientes de fricción f. . . . . . . . . . 257 Diagrama de Moody modificado para coeficientes de fricción /

(solución directa para el flujo Q ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Nomograma de caudales, fórmula de Hazen-Williams (C\ = 100). 259 Coeficiente para orificios medidores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Coeficientes para boquillas de aforo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Coeficientes para venturímetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Coeficiente de resistencia en función de R E . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

Coeficientes de resistencia para placas planas y lisas.. . . . . . . . . 264 Coeficientes de resistencia a velocidades supersónicas. . . . . . . . . 265

ÍNDICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

APÉNDICES Páginas

DIAGRAMAS

Diagramas A-l. A-2.

B. C. 1

D. E. F.G.

H.







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