1.1: La naturaleza de los fluidos

Los fluidos son sustancias que se deforman continua y permanentemente cuando son sometidos a fuerzas que varían espacialmente en magnitud o dirección. La naturaleza de la relación entre las fuerzas deformantes y la geometría de la deformación varía de fluido a fluido; verás en este capítulo que la relación es lineal simple para el aire y el agua. Los fluidos pueden clasificarse como líquidos, que son relativamente densos y mantienen un volumen definido, y gases, que son menos densos y se expanden para llenar su contenedor. Los fluidos, tanto líquidos como gases, se distinguen de los sólidos por su incapacidad para soportar las fuerzas deformantes: a diferencia de los sólidos, continúan deformándose mientras se apliquen las fuerzas deformantes. Esta distinción en realidad no es tan ordenada como he dicho que sea, pero nos desviaríamos hacia el campo de la reología para su elaboración.

Los líquidos y gases difieren mucho en su estructura en la escala atómica: los líquidos consisten en moléculas estrechamente empaquetadas que ejercen fuertes fuerzas sobre sus vecinos a medida que se tejen unos alrededor de otros, formando a veces agregados fugaces y muy pequeños unidos, mientras que los gases, a menos que estén muy comprimidos, consisten en átomos o moléculas que casi siempre están alejados unos de otros mientras se deslizan a lo largo de sus caminos libres de movimiento, colisionando con las paredes de su contenedor y ocasionalmente entre sí.

¿Cómo es, entonces, que los movimientos macroscópicos de líquidos y gases no necesitan ser considerados por separado? La respuesta es que los fluidos pueden tratarse como si fueran 2, como si su materia constituyente, que en realidad se distribuye de manera discontinua como átomos y moléculas, estuviera manchada uniformemente por todo el espacio. La idea aquí es que las fuerzas entre las partículas constituyentes, que varían enormemente en el espacio en la escala de las propias partículas, promedian para parecer que varían suavemente en escalas mucho más grandes que las partículas pero muy pequeñas en relación con las escalas macroscópicas de problemas en la dinámica de fluidos, que ellos mismos pueden ser muy pequeños. Para expresar esto de una manera ligeramente diferente: la estructura de los fluidos está en una escala tan fina que las fuerzas intermoleculares reales pueden ser tratadas como de manera continua y suave, desde el punto de vista de todos los problemas en la dinámica de fluidos en escalas mucho más grandes que las moléculas . La justificación de este enfoque es que funciona extremadamente bien para flujos de fluidos en escalas que son mucho más grandes que el espaciado intermolecular. ¡Entonces en estas notas nunca hay que volver a pensar en los átomos y moléculas de los fluidos! (Bueno, eso no es del todo cierto, pero casi.)