Fisica de Medios Continuos


Semestre:

Obligatorias de Elección 6°- 8°

Fecha de elaboración:

Mayo del 2015

Fecha de revisión:

Mayo del 2015

Elaborado por:

Federico Vázquez Hurtado y Aldo Figueroa Lara

Ciclo de formación:

Profesional

Área curricular:

Ciencias de la Disciplina

Tipo de unidad:

Teórico-experimental

Carácter de unidad:

Obligatoria

Clave:

VC01FP050010

Créditos:

10

Semestre:

Obligatorias de Elección 6°- 8°

Horas Teoría:

4

Horas Práctica:

1

Programas académicos en los que se imparte:

Licenciatura en Ciencias Áreas terminal Física

Prerrequisitos:

Ninguno

Antecedentes Recomendadas:

  • Cálculos 1, 2, 3 y 4
  • Física 3

Consecuentes Recomendadas:

Laboratorio de Física Moderna

Presentación de la unidad de aprendizaje:

El curso es de naturaleza teórico-experimental con énfasis en la solución de problemas de interés actual referentes a distintas áreas de aplicación de la mecánica de los medios continuos. Se pretende que el estudiante se familiarice con los conceptos básicos, la formulación de modelos teóricos, su aplicación a la solución de problemas de interés práctico y al diseño experimental y la determinación de los límites que el esquema teórico presenta en su aplicabilidad. La idea principal se basa en la formulación de las ecuaciones de balance de masa, cantidad de movimiento y energía en sistemas a los que el concepto del continuo puede aplicarse. El contenido físico del curso comprende dos grandes aspectos. Por un lado, los fenómenos mecánicos propiamente dichos en los cuales los conceptos de la mecánica clásica juegan un papel primordial. Pero la física de los medios continuos involucra también el transporte de energía por medios no mecánicos. Aquí entra una componente termodinámica muy importante. De este modo, es necesario que el alumno se forme la idea de que la descripción completa de los medios continuos requiere de la mecánica y de la termodinámica, y que todo modelo formulado para describir un fenómeno dado debe ser contrastado con experimentos apropiadamente diseñados. Siendo los fenómenos de transporte no mecánicos de naturaleza disipativa, la termodinámica que se menciona es la que describe fenómenos irreversibles. La primera parte del curso contiene la formulación de las leyes fundamentales. Como se mencionó, éstas se basan en la conservación de la materia y la energía expresadas matemáticamente con base en el teorema de Reynolds que se convierte asíen un pilar de la descripción física. Se muestran aplicaciones diversas de estas ecuaciones en las aproximaciones correspondientes a fluidos perfectos y viscosos. Después se aborda el problema de los flujos potenciales en los que los métodos de variable compleja dan un soporte metodológico a la teoría y muestran el gran poder descriptivo y predictivo de la conjunción de las matemáticas y la física. Un tema de gran actualidad es el de movimientos ondulatorios superficiales en cuerpos de agua, tema que se trata en la tercera parte del curso. Después se regresa al problema más general de los fluidos viscosos pero todavía con la restricción de incompresibilidad para pasar al caso restringido inversamente, es decir, el de los fluidos compresibles pero no viscosos. Finalmente se describen las aplicaciones a medios continuos rígidos, tema de gran interés tecnológico.


Propósito de la unidad de aprendizaje:

Este curso contribuye a que el estudiante conozca la concepción científica del mundo, en particular en lo relativo a los fenómenos termo-hidrodinámicos en los medios continuos. Contribuye a la formación de hábitos de análisis riguroso y del pensamiento formal. Contribuye a consolidar la relación teoría-experimento como fundamento de la naturaleza científica de la teoría de los medios continuos. Más específicamente, el estudiante deberá ser capaz de

  1. Formular y aplicar los principios, conceptos y ecuaciones fundamentales que caracterizan el formalismo teórico de la mecánica de los medios continuos, haciendo énfasis en la estructuración lógica de conceptos y el método deductivo.
  2. Establecer los límites de validez y aplicabilidad de las teorías físicas que aplica, así como de los diferentes modelos teóricos que usa.
  3. Aplicar los métodos matemáticos de la física tanto en la formulación de las teorías físicas como en la solución y detallada interpretación de problemas concretos.
  4. Hacer aproximaciones para el tratamiento de los problemas teóricos de la mecánica de los medios continuos valorando las ventajas y limitaciones que implica cada aproximación y sus límites de aplicabilidad.
  5. Diseñar experimentos para establecer la validez y límites de los modelos teóricos involucrados en la explicación de fluidos y fenómenos de interés tecnológico.


Competencias profesionales:

Habilidad de análisis científico de fenómenos naturales y tecnológicos. Habilidad de concepción, diseño e implementación de experimentos. Capacidad de manejo de instrumentación y equipo científico de alto nivel.

Contribución al perfil de egreso:

El estudiante enriquecerá su concepción científica del mundo. Fortalecerá sus hábitos de análisis riguroso y del pensamiento formal. Valorará la relación teoría-experimento como fundamento del conocimiento científico de la naturalez y la tecnología.


Secuencia temática:

  1. Ecuaciones de la Hidrodinámica
    1. Leyes de conservación
    2. Ecuaciones constitutivas
    3. Fluidos reales, fluidos viscosos
    4. Ecuación de Navier-Stokes
    5. Ecuación de Bernoulli
    6. Experimento 1. Túnel de viento. Sustentación y arrastre
    7. Ecuación de Crocco
    8. Ecuación de vorticidad
  2. Flujos Potenciales
    1. Flujos bidimensionales
    2. Experimento 2. Fluidos someros. Flujo a través de obstáculos. Mezclado.
    3. Transformaciones conformes
    4. Flujos tridimensionales
  3. Ondas superficiales en fluidos ideales
    1. Propagación
    2. Ondas viajeras
    3. Ondas en medios finitos
    4. Recipientes rectangulares y cilíndricos
    5. Experimento 3. Formación de patrones en fluidos someros por superposición de ondas superficiales
  4. Fluidos viscosos incompresibles
    1. Flujo de Couette
    2. Problemas de Stokes
    3. Flujos pulsantes en placas paralelas
    4. Experimento 4. Flujos en canales abiertos
    5. Canales divergentes y convergentes
    6. Soluciones a números de Reynolds bajos
    7. Capa límite
  5. Flujo compresible de fluidos no viscosos
    1. Ondas de choque
    2. Experimento 5. Anemometría de ondas de choque
    3. Sonido
  6. Sólidos elásticos
    1. El sólido elástico lineal
    2. Isotropía
    3. Módulo de Young, módulo de corte y módulo de bulto
    4. Elastodinámica
    5. Ejemplos: reflexión de ondas elásticas, vibraciones
    6. Elastoestática
    7. Experimento 6. Visualización de esfuerzos en sólidos elásticos

Criterios de Evaluación:

  • Exámenes parciales: 30%
  • Examen final: 20%
  • Realización de prácticas: 30%
  • Reseña de lecturas selectas: 10%
  • Tareas: 10%


Bibliografía básica:

  • Currie, I.G., Fundamental Mechanics of Fluids, Mc Graw-Hill, N.Y. (1974).
  • Landau-Lifshitz. Mecánica de Fluidos, Editorial Reverté, Barcelona (1986).
  • W.M. Lai, D. Rubin, y E. Krempl, Introduction to Continuum Mechanics. Pergamon Press Inc. N.Y. (1974).

Bibliografía complementaria: