Biomecánica de fluidos - Programa


CARRERA

NIVEL

HORAS SEMANALES

HORAS TOTALES

Ingeniería Biomédica 6º semestre 6 horas

96 horas

PRERREQUISITO: 

CORREQUISITO: 

Fecha de revisión: enero de 2002

JUSTIFICACIÓN

El ingeniero que se involucre con el manejo de los fluidos deberá conocer sus propiedades físicas y mecánicas para comprender su comportamiento, para proponer y diseñar soluciones a problemas que se relacionen con los fluidos.

OBJETIVO GENERAL

Adquirir conocimiento de las propiedades físicas de los fluidos, de los principios mecánicos de la estática, la cinemática y la dinámica, que permita al aprendiz interpretar los problemas, identificar variables, diseñar métodos de solución e interpretar resultados.

Adquirir destreza en la solución de situaciones que involucran conceptos y leyes de la mecánica de fluidos.  Realizar prácticas experimentales para desarrollar la observación directa, la medición de las variables, el análisis mediante técnicas estadísticas, y la evaluación mediante aproximaciones teóricas analíticas o técnicas numéricas.

CONTENIDO RESUMIDO Horas
1.   Introducción
2.   Propiedades físicas de los fluidos
3.   Tensión en un punto
4.   Estática de los fluidos
5.   Cinemática de los fluidos
6.  
Fundamentos de hidrodinámica
7.   Flujo de fluidos viscosos
8.   Análisis dimensional y teoría de modelos
9.   Flujo en conductos cerrados
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PROGRAMA DETALLADO
1. INTRODUCCIÓN

Presentación del programa del curso. Definición de medio continuo. Definición de fluido.  Sistema de unidades y unidades fundamentales.

2. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS FLUIDOS

Viscosidad.  Ley de viscosidad de Newton, fluido newtoniano y no newtoniano.  Reología. Hipótesis de no deslizamiento.  Reología de la sangre, aplicaciones médicas de la reología de la sangre.  Fluidos bioviscoelásticos, fluido ideal.  Variación de la viscosidad.  Viscosidad absoluta o dinámica, cinemática, aparente y relativa.  Viscosidad de la sangre.  Ecuación de Casson.  Ley de Stokes.  Medidores de viscosidad.  Método clínico para la medición de la viscosidad de la sangre.  Flujo laminar y turbulento, experimento de Reynolds, número de Reynolds.  Capa límite.

Densidad, densidad relativa, peso específico, presión, gas ideal.

Tensión superficial: fenómenos capilares, humectación y no humectación, ángulo de contacto.

3. TENSIÓN EN UN PUNTO

Magnitudes escalares, vectoriales y tensoriales: campos.  Fuerzas superficiales y másicas.  Deformación lineal, deformación angular.  Tensión en un punto: fluido en reposo o en movimiento uniforme, ley de Pascal; fluido no viscoso en movimiento; fluido viscoso en movimiento.  Propiedades del tensor de esfuerzos.

4. ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS

Ecuación fundamental de la hidrostática. Presión atmosférica, absoluta, manométrica, de vacío, transmural.  Barómetro de Torricelli, piezómetros, manómetros. Medición de la presión sanguínea.  Fuerza de flotación o empuje.  Ley de Arquímedes.  Equilibrio relativo.

5. CINEMÁTICA DE LOS FLUIDOS

Tipos de flujo: laminar, turbulento, permanente, no permanente, uniforme, unidimensional, bidimensional, tridimensional, rotacional, irrotacional.  Líneas de corriente, de trazador, tubos de corriente, vena fluida.  Métodos fundamentales de la cinemática aplicados a partículas fluidas: métodos de Euler y Lagrange.  Aceleración de una partícula fluida.  Sistemas de coordenadas.  Concepto de sistemas y volúmenes de control.  Conservación de la masa.  Ecuaciones de continuidad, integral y diferencial para diferentes tipos de flujos y sistemas de coordenadas.

6. FUNDAMENTOS DE HIDRODINÄMICA

Ecuación de Euler.  Ecuación de Bernoulli.  Fórmula de Torricelli.  Ecuación de energía.  Suposición unidimensional para tubos de corriente de sección transversal finita.  Ecuación de cantidad de movimiento lineal.  Ecuación del momento de la cantidad de movimiento.

7.  FLUJO DE FLUIDOS VISCOSOS

Flujo en conductos.  Efecto de entrada. Distribución de esfuerzos en un flujo completamente desarrollado.  Distribución de la velocidad en un flujo laminar, ley de Poiseuille  Caída de presión en flujos a través de conductos.  Flujo alrededor de un cuerpo: fuerza de arrastre, punto de estancamiento, vorticidad, coeficiente de arrastre.

8. ANÁLISIS DIMENSIONAL Y TEORÍA DE MODELOS

Aplicación del principio de homogenidad dimensional. Productos adimensionales y su determinación.  Teorema de Buckingham.  Determinación de las variables que afectan un fenómeno.  Teoría de la similaridad y análisis de similitud 

9. FLUJO EN CONDUCTOS CERRADOS

Fórmulas exponenciales de rozamiento en tubos.  Línea de energía y línea piezométrica.  El sifón.  Tuberías en serie, en paralelo e interconectadas.  Redes de tuberías.

METODOLOGÍA

El profesor orientará el aprendizaje de los temas propuestos en el contenido motivando la participación del estudiante de manera que este se sienta partícipe en la construcción de su saber, en el desarrollo de sus habilidades y en la formación de sus valores.  El estudiante adquirirá un completo entendimiento de los conceptos fundamentales que requiere la asignatura mediante una aproximación cercana a los fenómenos con apoyo de imágenes, descripciones, experimentos y ejemplos; podrá llevar a cabo cualquier desarrollo demostrativo y sabrá aplicar lo métodos y expresiones para la solución de los problemas relacionados con la asignatura incluyendo el uso de herramientas tecnológicas actuales como software especializado.

EVALUACIÓN

La evaluación deberá responder con la metodología propuesta y será definida en acuerdo con profesor y estudiantes.

BIBLIOGRAFÍA

BRANSON, Richard D., HESS D. R., y CHATBURN R. L. Respiratory Care Equipment.  Segunda edición.  Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 1999

BUSTAMANTE OSORNO, John y VALBUENA CARDONA, Javier.  Biomecánica cardiovascular. Primera edición. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 1999

CROMER, ALAN H.  Física para las ciencias de la vida.  Segunda edición. España.: Reverté. 1992

Frumento A. S. Biofísica.  Pps 11-51.

Fung Y., C. Biomechanics: Mechanical properties of living tissues.  Segunda edición. New York:  Springer-Verlag , 1993

JOU D., L;  LLEBOT J., E y  PÉREZ GARCÍA., C.  Física para ciencias de la vida.  s.l.:  McGraw-Hill, 1986

LOW, John y REED, Ann.  Basic Biomechanics Explained.  Primera edición. Oxford.: Reed Educational and Professional Publishing Ltd, 1996

REMIZOV, A.  Física Médica y Biológica.  Moscú: Mir, s.f. Pps. 179-194, 217-227.

STEETER, Victor L; WYLIE, E., Benjamin y BEDFORD, Keith W.  Mecánica de fluidos.  Novena edición.  México: McGraw-Hill,  2000

YARMUSH, Martin L; DILLER, Kenneth R y TONER, Mehmet.  Annual Review of Biomedical Engineering, 1999. Volumen 1

PREPARADO POR:

Coordinador de área:  Juan Fernando Barros Martínez