La Historia de la Mecnica de Fluidos es la historia de como el ser humano ha aprendido a comprender el comportamiento de los fluidos y a crear aplicaciones tecnolgicas que involucren a estos.

Dicha disciplina naci con el surgimiento de la agricultura en las primeras civilizaciones, que implic la creacin de sistemas de regados y canales y la acumulacin del primer corpus de conocimientos sobre el agua, adems de favorecer un auge de la navegacin. Con la Antigedad Clsica vivi, como muchas otras ciencias, una etapa de esplendor con el asentamiento de los primeros principios cientficos modernos por Arqumedes y el culmen tcnico que supusieron las grandes obras hidrulicas romanas.

La Edad Oscura marc un periodo de estancamiento que no se super hasta el Renacimiento, cuando estudiosos como Leonardo Da Vinci se vuelven a replantear el estudio de las corrientes de agua. La revolucin cientfica del siglo XVI supuso la explosin de la primitiva mecnica de fluidos merced al trabajo de sabios como Torricelli o Pascal, pero sobre todo al nacimiento de la mecnica de Newton y al clculo diferencial por parte de Leibniz y Newton. La nueva hidrulica renacentista planteaba ya de forma matemtica y precisa los problemas que afrontaba.

As, Newton obtiene las primeras leyes de la dinmica de Fluidos que posteriormente ampliaran Bernoulli, Euler, Lagrange, Cauchy y el resto de las grandes mentes de la mecnica clsica. La mecnica de medios continuos se asent a partir de estos slidos cimientos matemticos, llegando a grandes avances con el desarrollo del clculo tensorial y las ecuaciones de Navier-Stokes, que dan el marco terico completo de la disciplina y permiten plantear los problemas de la hidrulica tradicional: tuberas, canales...

Dichos modelos sin embargo no fueron el final del desarrollo de esta disciplina: el desarrollo de la mquina de vapor llev a plantearse los fenmenos de mayor complejidad que encarnan vapores compresibles y la turbulencia. Reynolds analiz el flujo turbulento y obtuvo el nmero que lleva su nombre, sentando as la mayora de los convenios de este campo. Mientras, se abri paso el anlisis dimensional, donde destacaran Rayleigh, Froude y otros. El anlisis de los gases y el sonido alcanz paralelamente su madurez con el trabajo de investigadores como Doppler, Rayleigh y Mach.

Ya desde finales del siglo XIX, la nutica y la naciente aeronutica llevan a trabajos como los de Kutta, Joukowski, Prandtl o Von Karman, que deben afrontar el clculo del vuelo de objetos. Prandtl, particularmente, revolucion la mecnica de fluidos cuando con su teora de la capa lmite logr solucionar el gran defecto del modelo clsico.

Ms recientemente, el gran auge de la ciencia moderna ha motivado descubrimientos y avances, particularmente en el uso de la fluidodinmica computacional para resolver problemas de gran complejidad matemtica, aunque aun queden problemas como la solucin de las ecuaciones de Navier-Stokes por aclarar.Primeras Civilizaciones: el riego

Es difcil separar la historia del hombre y la del agua, tan necesaria para la vida del primero. Descontando un uso natural del agua en la prehistoria para beber, pescar y navegar a pequea escala, es con el comienzo de la agricultura en el Neoltico cuando comienza el hombre a preocuparse por aprovecharla de forma sistemtica.

Hay constancia de estructuras de regado (canales, acequias, norias...) ya en Mesopotamia, el valle del Indo, China, Babilonia y el Antiguo Egipto, as como en culturas amerindias como los Anasazi. La necesidad de emprender grandes trabajos hdricos que sustentaran a la agricultura fundament los primeros Estados (en lo que historiadores como Marx han dado en llamar despotismo hidrulico), al requerir la cooperacin de gran cantidad de personas de forma coordinada.

El control de inundaciones, el reparto del agua y su gestin para permitir ampliar las zonas aptas para el cultivo determinaron el xito o fracaso de muchas de esas culturas. As, eclogos como Jared Diamond, en su libro Colapso mencionan como la erosin por la eliminacin de vegetacin natural redujo la altura de los arroyos por debajo de los canales y acequias, con letales consecuencias para los Anasazi1 . La extraordinaria fertilidad del Nilo debido a sus crecidas permiti el auge de poblacin del Antiguo Egipto. Sin embargo, la poblacin se concentraba en torno al ro, quedando las reas alejadas de donde se poda llevar el agua despobladas. En Mesopotamia, fue determinante la salinizacin de suelos debido a una mala gestin hdrica.

La ingeniera prim en aquel entonces: si bien el mtodo cientfico como tal es posterior y las causas ltimas de las cosas se solan reducir a lo sobrenatural, obreros y tcnicos afrontaron, a veces con xito y otras resultando en fracaso, grandes empresas y desafos.

Las principales tcnicas de elevacin de agua de la antigedad, de crtica importancia para la irrigacin de terrenos a mayor altura, y con ello para la expansin agrcola incluyen la cuerda y el cubo,2 la polea,2 el cerd (el sistema de cuerda y cubo, impulsado por traccin animal),3 y el shaduf,4 todos ellos ya conocidos con anterioridad a la poca helenstica.Arqumedes: la mecnica de fluidos como cienciaArtculo principal: Arqumedes.

Arqumedes pensativo por Fetti (1620)Se suele remontar la mecnica de fluidos a Arqumedes de Siracusa, (287-212 adC) que escribi el primer tratado sobre el tema. Arqumedes fue un matemtico, fsico e ingeniero griego de la ciudad siciliana de Siracusa, conocido particularmente por sus inventos, muerto durante el Sitio de Siracusa por los romanos.Arqumedes escribi Hidrosttica, el primer tratado cientfico sobre fluidos. Tambin formul, aunque no en su enunciado moderno, el principio de que la fuerza ejercida por lquido sobre un cuerpo sumergido depende del peso del lquido desalojado, hoy llamado Principio de Arqumedes en su honor.Todo cuerpo sumergido experimenta un empuje perpendicular y hacia arriba, en el centro de gravedad del fluido desplazado, igual al peso del lquido desalojadoArqumedes de SiracusaUna famosa ancdota atribuye este descubrimiento a un problema planteado por el tirano de Siracusa Hieron II, que quera comprobar la pureza de una aleacin, supuestamente de oro, de una corona. Arqumedes, durante un bao, se percato de como su peso haca subir el nivel del lquido y sali corriendo al grito de Eureka! ("Lo he encontrado!"), pues el principio que acababa de observar permita estudiar la densidad de un objeto y con ello la pureza de una aleacin. Con este principio se resolvi el estudio de la flotacin y se sent la base de la fluidosttica, el estudio del comportamiento y distribucin de un fluido en reposo.Enunci adems que la diferencia de presiones en un fluido era causa de movimiento en el mismo. A da de hoy se conoce como nmero de Arqumedes al nmero adimensional que indica la proporcin entre fuerzas gravitatorias y viscosas.Como ingeniero, adems de otros mecanismos, invent el tornillo sin fin, ingenioso mecanismo inicialmente pensado para elevar agua y fundamento de varios sistemas de bombeo actuales.

Animacin de como un tornillo de Arqumedes transporta una partcula

Teora de la capa lmiteINTRODUCCIONAntes de 1860, aproximadamente, el inters de la ingeniera por la mecnica de fluidos se limitaba casi exclusivamente al flujo del agua. El desarrollo de la industria qumica durante la ltima parte del siglo XIX dirigi la atencin a otros lquidos y a los gases. El inters por la aerodinmica comenz con los estudios del ingeniero aeronutico alemn Otto Lilienthal en la ltima dcada del siglo XIX, y produjo avances importantes tras el primer vuelo con motor logrado por los inventores estadounidenses Orville y Wilbur Wright en 1903.La complejidad de los flujos viscosos, y en particular de los flujos turbulentos, restringi en gran medida los avances en la dinmica de fluidos hasta que el ingeniero alemn Ludwig Prandtl observ en 1904 que muchos flujos pueden separarse en dos regiones principales. La regin prxima a la superficie est formada por una delgada capa lmite donde se concentran los efectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemtico. Fuera de esta capa lmite, se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, y pueden emplearse las ecuaciones matemticas ms sencillas para flujos no viscosos.TEORIAEn realidad, la capa lmite es un invento humano, una forma de facilitar las cosas para que sus limitadas capacidades matemticas no se vean sobrepasadas por las complicadas ecuaciones que gobiernan el movimiento de un fluido. Estas ecuaciones se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan difciles de resolver que los humanos slo saben hacerlo en determinados casos muy simplificadosLa teora de capa limite fue introducida por Prandlt, esta teora establece que, para un fluido en movimiento, todas las perdidas por friccin tiene lugar en una delgada capa adyacente al contorno del solido (llamada capa limite) y que el flujo exterior a dicha capa puede considerarse como carente de viscosidad.En trminos generales se puede decir que, puesto que la viscosidad es bastante pequea en casi todos los fluidos, los esfuerzos cortantes deben ser apreciables nicamente en las regiones en donde existan grandes gradientes de velocidad; el flujo en otras regiones se podra describir con gran exactitud por medio de las ecuaciones para flujo no viscoso. Las caractersticas ms sobresalientes de la capa lmite pueden describirse a travs del caso del flujo sobre una superficie plana y fija, sobre la que se hace incidir una corriente uniforme de velocidad.La capa lmite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al slido en movimiento vara desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente noEn un flujo a altos nmeros de Reynolds los efectos de la viscosidad del fluido y la rotacin se confinan en una regin relativamente delgada cerca de las superficies slidas o de las lneas de discontinuidad, tales como las estelas. Como la capa limite es delgada, se puede introducir ciertas simplificaciones en las ecuaciones del movimiento; sin embargo, es necesario retener tanto los trminos de esfuerzo (viscoso), como las inerciales (aceleracin).Los trminos de presin pueden o no estar presentes, dependiendo de la naturaleza del flujo fuera de la capa lmite. Como la verticidad del fluido de la capa limite no es cero, no existe funcin del potencial de velocidades para el flujo en la capa limite. La ecuacin del movimiento se debe atacar directamente. Esta ecuacin, aun incluyendo las simplificaciones de la capa limite, es mucho ms difcil de resolver que la ecuacin de flujo de potencial.A medida que se avanza en la direccin x, ms y ms partculas son frenadas y por lo tanto el espesor d de la zona de influencia viscosa va aumentando, con las partculas alineadas direccionalmente en lo que se denomina capa lmite laminar hasta que, en un cierto punto el flujo se hace inestable, dando lugar a un crecimiento ms rpido de la capa lmite acompaado de un aumento de la turbulencia, es la zona denominada capa lmitePrandtl estableci las ecuaciones para el flujo en la capa lmite laminar, a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes, con las siguientes hiptesis: el espesor de la capa lmite es pequeo en comparacin con otras dimensiones geomtricas, el flujo es estacionario y bidimensional, y la presin es constante a travs de cualquier seccin transversal.

Capa lmite laminar y turbulentoPues bien, existen dos tipos de capa lmite: la capa lmite laminar y la capa lmite turbulenta. La segunda es ligeramente ms gruesa que la primera, y como el fluido se mueve en todas direcciones, disipa mayor energa, por lo que la fuerza de friccin derivada de ella es mayor. As que, en principio, a un avin le interesa que su capa lmite sea siempre laminar.Sin embargo, el que una capa lmite sea laminar o turbulenta depende del tamao del avin. Cualquier avin convencional tiene un tamao que obliga a que la capa lmite sea turbulenta, y, en realidad, los nicos aviones que son lo suficientemente pequeos como para volar en condiciones de flujo laminar son los de aeromodelismo. Sin embargo, una capa lmite turbulenta tiene una ventaja muy importante frente a una capa lmite laminar.El flujo laminar va perdiendo velocidad a lo largo de la capa lmite, hasta que finalmente se para o incluso retrocede, provocando que la capa lmite se desprenda y el flujo ya no siga la forma de la superficie. Este efecto es especialmente perjudicial en el ala de un avin, ya que la sustentacin depende de que el flujo siga la forma del perfil del ala. El desprendimiento de la capa lmite de las alas es lo que ocurre cuando se dice que el avin entra en prdida, es decir, deja de sustentar y cae como una piedra, y si el piloto no es capaz de hacer que la capa lmite vuelva a adherirse al ala, el avin se estrellar (algo que seguramente no le har ninguna gracia al piloto).Qu permite la capa lmiteLa capa lmite se estudia para analizar la variacin de velocidades en la zona de contacto entre un fluido y un obstculo que se encuentra en su seno o por el que se desplaza. La presencia de esta capa es debida principalmente a la existencia de la viscosidad, propiedad inherente de cualquier fluido. sta es la causante de que el obstculo produzca una variacin en el movimiento de las lneas de corriente ms prximas a l. La variacin de velocidades, como indica el principio de Bernoulli, conlleva una variacin de presiones en el fluido, que pueden dar lugar a efectos como las fuerzas de sustentacin y de resistencia aerodinmica.En la atmsfera terrestre, la capa lmite es la capa de aire cercana al suelo y que se ve afectada por la conveccin debida al intercambio diurno de calor, humedad y momento con el suelo.En el caso de un slido movindose en el interior de un fluido, una capa lmite laminar proporciona menor resistencia al movimiento.Ha hecho posible gran parte del desarrollo de las alas de los aviones modernos y del diseo de turbinas de gas y compresores. El modelo de la capa lmite no slo permiti una formulacin mucho ms simplificada de las ecuaciones de Navier-Stokes en la regin prxima a la superficie del cuerpo, sino que llev a nuevos avances en la teora del flujo de fluidos no viscosos, que pueden aplicarse fuera de la capa lmite.En aeronutica aplicada a la aviacin comercial, se suele optar por perfiles alares que generan una capa lmite turbulenta, ya que sta permanece adherida al perfil a mayores ngulos de ataque que la capa lmite laminar, evitando as que el perfil entre en prdida, es decir, deje de generar sustentacin aerodinmica de manera brusca por el desprendimiento de la capa lmite.El espesor de la capa lmite en la zona del borde de ataque o de llegada es pequeo, pero aumenta a lo largo de la superficie. Todas estas caractersticas varan en funcin de la forma del objeto (menor espesor de capa lmite cuanta menor resistencia aerodinmica presente la superficie: ej. forma fusiforme de un perfil alar).