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El principio de Arquímedes establece que un cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical igual al peso del líquido desalojado. Este principio, clave en hidrostática, explica la flotabilidad de objetos densos. Se aplica en submarinos y la balanza hidrostática. La balanza compara un cilindro hueco (A) con uno macizo (B), donde tres posibilidades se derivan: el empuje es menor (el cuerpo se hunde), igual (flota en equilibrio) o mayor (flota en la superficie del líquido) que el peso del objeto.

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Los romanos, hábiles ingenieros, crearon una red de caminos y destacaron en la construcción de acueductos, puentes y sistemas de drenaje para garantizar la higiene urbana. Los baños públicos, como las termas de Caracalla y Diocleciano, eran imponentes edificios multifuncionales. Además, su arquitectura en grandes ciudades incluía servicios como agua potable y cloacas. El Acueducto Romano "Pont del Diable" es un ejemplo notable de su ingeniería, con dos niveles de arcos.

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Escribió tratados sobre los métodos de distribución de agua de Roma.
Los estudios modernos de la ingeniería hidráulica romana suelen centrarse en los restos espectaculares de acueductos en áreas rurales, descuidando la distribución de agua en las ciudades. Thomas Ashley y Trevor Titulada han abordado este tema, pero se señala la falta de discusión sobre la planificación urbana en la distribución de agua. Un llamado a un estudio más profundo sobre el destino del agua en la ciudad se destaca en un capítulo reciente de ensayos hidráulicos de Harry Evan, quien propone ir más allá de las cifras convencionales para obtener una perspectiva más sustancial.

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El Imperio Musulmán, Bizantino y Ruso (330-1453)

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El Imperio Musulmán, Bizantino y Ruso (330-1453)

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La cultura musulmana se enriqueció gracias a la interacción con hindúes, personas del este y griegos. En España, los árabes introdujeron nuevos alimentos, como arroz y azúcar, así como innovaciones tecnológicas, como molinos de agua. También mejoraron la industria y la agricultura, promoviendo proyectos de irrigación y métodos científicos. Este desarrollo contribuyó al florecimiento de las regiones áridas del Medio Oriente y el Norte de África.

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En la época de 1300, los castillos eran el símbolo predominante, ofreciendo refugio mediante mecanismos de defensa primitivos. Compuestos por variados edificios, estaban rodeados por paredes gruesas y altas. Durante las batallas, los defensores ocupaban rampas en la pared para arrojar aceite caliente o rocas a los enemigos. Una fosa o zanja y un puente levadizo protegían la entrada al castillo.

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Historia de los avances de la mecánica de fluido en América

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Historia de los avances de la mecánica de fluido en América

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Periodo clásico o de las altas culturas urbanas

Se desarrolló en nuestra era cristiana, entre el 300 y el 1000. Solamente en unos pocos pueblos de Mesoamérica, Perú y Bolivia.

La agricultura intensiva, o sea, con sistemas de regadío para llevar la humedad a zonas secas.

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La cultura Maya, a pesar de sus notables avances científicos, se destaca por su limitada tecnología, especialmente en comparación con los aztecas e incas. La falta de conocimiento sobre sistemas de regadío y terrazas agrícolas, utilizados por otras civilizaciones, se debió principalmente a la escasez de agua. Aunque inicialmente vivían en selvas durante el período clásico, retener agua para épocas de sequía resultaba difícil. Para abordar este problema, excavaron pozos (cenotes) para recolectar agua de lluvia o utilizar aguas subterráneas, pero no lograron desarrollar sistemas de acequias.

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Desarrollaron un sistema de regadío debido a la agricultura. En las regiones bajas y húmedas se abonaban las tierras quemando previamente los árboles, pero en las tierras secas y frías se utilizaba el sistema de regadío por medio de acequias aunque sus técnicas de riego eran muy pobres.

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Ellos desarrollaron sus sistemas de regadío mejor que los dos grupos anteriores debido a la ganadería. Su sistema de regadío empleaba acequias de piedras perfectamente construidas.

Sorprendentemente que este pueblo capaz de una organización tan efectiva y de un sistema de regadío tan avanzado fuera incapaz de grandes creaciones tipo intelectual.

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Edad Media 900-1300, Humanismo y Renacimiento

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Edad Media 900-1300, Humanismo y Renacimiento

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En la Edad Media, la recuperación del comercio fue crucial para el crecimiento de las comunidades, pero otros factores también fueron importantes. Los avances en la agricultura, como mejores métodos y tecnologías como los molinos de agua, aumentaron la producción de alimentos y mejoraron la calidad de vida. La conversión de tierras salvajes en tierras cultivables en el siglo XI también impulsó el crecimiento agrícola.

A medida que las ciudades crecían, surgieron preocupaciones de salud pública y se establecieron leyes de seguridad. Aunque pocos tenían acceso directo al agua corriente en sus hogares, se desarrollaron sistemas para transportar agua desde fuentes naturales a baños públicos y privados. Estos avances tecnológicos y en la gestión de tierras contribuyeron al progreso social y económico de las comunidades medievales.

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En 1502 fue nombrado Ingeniero militar por César Borgia. De 1506 a 1508 se dedica a el estudio de los elementos fluidos. Había ideado la idea de un barco submarino. Este barco dotado de ruedas con paletas, según lo concibió Leonardo, debería navegar a 50 millas por hora. Un mecanismo accionado con las manos pondría en movimiento las paletas que medirían 90 cm. de largo

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Galileo Galilei, conocido por su mente inquisitiva, inventó un líquido-termómetro con un tanque cilíndrico transparente lleno de agua y cuerpos flotantes de diferentes gravedades. Después de abandonar la Universidad de Pisa, encontró un empleo mejor remunerado en la Universidad de Padua, donde llevó una vida feliz y productiva. En Padua, estableció un taller para fabricar brújulas, termómetros y telescopios, y se destacó como experto en la construcción de fortificaciones militares.

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Pedro el Grande impulsó la modernización en Rusia, enfocándose en la educación y ciencias. Tras él, Catalina la Grande continuó la modernización. En Inglaterra, se drenaron ríos y se construyeron canales, como el Canal de Manchester en 1761. Este enfoque se expandió a Estados Unidos con la finalización del Canal Erie en 1825. En este siglo, destacados científicos marcaron hitos en la mecánica de fluidos.

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Construyó el primer túnel de aire y probó modelos en él.

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Blaise Pascal desarrolló su teoría sobre el vacío y publicó experimentos que repetían el de Torricelli, titulados "Nuevos experimentos sobre el vacío". Su contribución más destacada a la física es el principio que lleva su nombre, base de la prensa hidráulica.

Principio de Pascal: Al ejercer una fuerza T en un émbolo de un recipiente con varios tubos y uno central, el líquido aumenta en todos los tubos, igualando las alturas. Este principio establece que "la presión ejercida en la superficie libre de un líquido se transmite íntegramente a todos los puntos de la masa líquida."

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Inventó el barómetro de mercurio, evidenciando la presión atmosférica. Utilizó un tubo lleno de mercurio en un recipiente, mostrando que la columna descendía a 76 cm, indicando la presión atmosférica. Introdujo la unidad de presión llamada Tor en honor a Torricelli, estableciendo que 1 atmósfera es igual a 760 Tor.

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Newton influyó en la Mecánica de Fluidos con la ecuación clave en 1687, definiendo los fluidos que la cumplen como newtonianos. En este campo, se enfoca en la distribución de velocidad más que en la evolución temporal. Los fluidos que no siguen esta ecuación se llaman no-newtonianos. La "no deslizamiento" en la pared, donde es cero, es característica de fluidos viscosos. La viscosidad de un fluido newtoniano varía con temperatura y presión. Estas ideas fundamentales de Newton son esenciales para comprender los fluidos.

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En el siglo XVII, Thomas Newcomen inventó la máquina de vapor para bombear agua de minas. James Watt la mejoró en 1769, haciéndola cuatro veces más eficiente. En 1781, Watt logró su rotación, ampliando su uso. Robert Fulton aplicó una máquina de Watt en su barco "Clermont", que en 1807 realizó un exitoso viaje de 150 millas en 32 horas por el río Hudson. Este evento marcó el inicio de la Revolución Industrial y transformó el transporte acuático.

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Jean d'Alembert fue un pionero en ecuaciones diferenciales aplicadas a la física, especialmente en el estudio del equilibrio y movimiento de líquidos. Admitido en la academia de París en 1741, trabajó allí toda su vida y fue amigo de Voltaire. Contribuyó a la fundación del análisis y sugirió una base sólida para la teoría límite en 1754. También destacó en hidrodinámica, mecánica de cuerpos rígidos y problemas astronómicos. A lo largo de su vida, rechazó ofertas importantes, incluida la presidencia de la academia de Berlín y una invitación de Catherine II para enseñar en Rusia.

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Borda, matemático y astrónomo francés, fue elegido en 1756 a la academia de ciencias por sus contribuciones en ingeniería naval e hidrodinámica. Destacó en el estudio de fluidos mecánicos, aplicándolo a situaciones navales y de artillería. Midió arcos y meridianos con sus instrumentos, abogando por el sistema decimal. Utilizó cálculos y experimentos para unificar áreas de la física y desarrolló vectores trigonométricos. En 1782, mientras comandaba una flotilla, fue capturado por los británicos y falleció debido a su frágil salud.

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El teorema de Bernoulli establece que la suma de la presión estática, dinámica y hidrostática en un líquido sin viscosidad es constante.

La Ley de Jurin explica que la altura de un líquido en un tubo capilar es proporcional a la tensión superficial y inversamente proporcional al radio del tubo y a la densidad del líquido. Esto se debe a la descomposición de la fuerza de tensión superficial en el punto de contacto entre el líquido y la vasija, generando una fuerza hacia arriba que hace que el líquido ascienda por el tubo.

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Euler, destacado matemático, abordó análisis matemático, álgebra, teoría de ecuaciones, trigonometría y geometría analítica, introduciendo el análisis de infinitos. En mecánica de fluidos, propuso el método descriptivo euleriano para calcular el campo de presiones del flujo. Euler también presentó el número de Euler para evaluar caídas de presión en la mecánica de fluidos, expresándolo como . Introdujo el número de cavitación considerando la presión de vapor.

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Construyó un dispositivo de doble tubo para indicar la velocidad del agua a través de una cabeza diferencial.

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Formuló parámetros de similitud para predecir las características de flujos de un canal tomadas de las medidas de otro canal.

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Físico italiano, que se distinguió por sus estudios sobre hidráulica, los sonidos audibles y el color. El efecto venturi se basa en la aplicación del teorema de Bernoulli y la ecuación de continuidad

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Laplace, destacado científico, contribuyó a la estabilidad del Sistema Solar y al análisis matemático. Introdujo funciones y coeficientes potenciales, siendo pionero en teoría de probabilidad. Fundó la Société d'Arcueil y apoyó a jóvenes científicos. Presentó la hipótesis nebular en 1796 sobre el origen del Sistema Solar. Demostró la invariabilidad de movimientos planetarios y la constancia de excentricidades e inclinaciones en "Traité du Mécanique Céleste". También trabajó en probabilidad, derivando la regla de los cuadrados mínimos en "Des Probabilités de Théorie Analytique" (1812).

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El aporte de Lagrange a la mecánica de fluidos se centra en el método que sigue a las partículas en su movimiento, conocido como la ecuación de descripción lagrangiana. Aunque esta ecuación es más adecuada para la mecánica de sólidos, su aplicación se destaca en análisis numéricos de flujos con límites marcados, como el movimiento de gotitas aisladas, donde las coordenadas lagrangianas son más efectivas.

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Médico, fisiológico y matemático británico que formuló la Ley homónima que establece la relación entre la altura que alcanza un líquido cuando asciende por el interior de un tubo capilar y el diámetro de este mismo tubo.

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Condujo estudios originales sobre la resistencia y la transición entre flujos laminares y turbulentos.

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Reynolds, Osborne(1842-1912)

En 1883, Reynolds estableció que la velocidad crítica en el flujo de un fluido por una tubería está vinculada a la viscosidad , densidad , y diámetro.

El "número de Reynolds" , es crucial para determinar si el flujo es laminar o turbulento. Valores bajos o altos de indican regímenes laminar o turbulento, respectivamente. La transición puede ser indeterminada. La importancia del número de Reynolds se destaca en gradientes altos de velocidad y puede despreciarse lejos de superficies fijas, chorros o estelas.

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Incorporó lo hidráulico en tratados de ingeniería mecánica basado en experimentos originales; notables para patrones de flujo, coeficientes adimensionales, presas y ecuaciones de resistencia.

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Ejecutó pruebas extensas sobre la filtración y la resistencia; inició estudios sobre canales abiertos llevados a cabo por Bazin.

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Augustin-Louis Cauchy destacó en áreas como el análisis, la teoría de grupos y diversos temas matemáticos. Sus contribuciones incluyen la determinación de los ángulos de un poliedro convexo en 1811, así como la formulación de integrales definidas en 1814, sentando las bases para la teoría de funciones complejas. Su legado se refleja en términos como el teorema integral de Cauchy y las ecuaciones de Cauchy-Riemann. A pesar de sus 789 ensayos matemáticos, su personalidad obstinada y su fanatismo religioso generaron aversión entre sus colegas.

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Desarrolló muchas técnicas del remolque-tanque, en detalle la conversión de la onda y de la resistencia de la capa del límite del modelo a la escala del prototipo

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George Stokes fue un destacado pionero en hidrodinámica, conocido por establecer la ley de la viscosidad. Sus contribuciones incluyeron ensayos fundamentales sobre el movimiento incompresible de líquidos y el equilibrio elástico sólido en la década de 1840. Nombrado profesor Lucasian en 1849, investigó teorías de ondas de luz, explicó la fluorescencia y teorizó sobre la línea Fraunhofer en 1854. Además, contribuyó significativamente a la Royal Society, desempeñando roles como secretario y presidente. Sus ensayos matemáticos y físicos abarcaron diversos temas, como cavitación, modelos de ríos y flujo viscoso, publicados en cinco volúmenes.

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Su primer ensayo en 1865 se trataba sobre la teoría electromágnetica de Maxwell. Él trabajó en la propagación del sonido y, mientras que en una excursión a Egipto tomado por razones de la salud, Strutt escribió el tratado en el sonido (1870-1). En 1879 él escribió un ensayo sobre ondas que viajaban, esta teoría ahora se ha convertido en la teoría de solitons. Su teoría de la dispersión (1871) era la primera explicación correcta del porqué el cielo es azul. En 1873 él tuvo éxito al título de barón Rayleigh. A partir la 1879 a 84 él era el segundo profesor de Cavendish de la física experimental de Maxwell que tenía éxito de Cambridge. Entonces en 1884 él fue secretario de la sociedad real.

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Desarrolló pruebas meticuloso en la resistencia de flujos a través de tubos capilares.

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Propuso varias fórmulas para resistencia de canales abiertos.

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Estimuló intereses en los Estados Unidos en el uso de análisis dimensionales.

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Previó muchas innovaciones en el campo de la maquinaria hidráulica; propuso un método correlativo a los datos de resistencia en tuberías y cañerías, los cuales son muy usados.

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Fue estudiante de Prandtl y dedujo una solución analítica para las ecuaciones de (boundy layer)

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Theodore von Kármán, destacado científico, realizó en 1911 un análisis pionero del vórtice de Kármán detrás de un cuerpo plano. Luego, asumió la dirección del Instituto Aeronáutico en Alemania y, en 1926, visitó los Estados Unidos. Cuatro años después, se convirtió en director del Laboratorio Aeronáutico en el California Institute of Technology. Fundó el Instituto de Ciencias Aeronáuticas de los Estados Unidos, continuando su investigación en mecánica de fluidos, teoría de la turbulencia y aplicaciones matemáticas a la ingeniería y estructuras de aviones.

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Investigó el fenómeno de "singing wires".

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Enfatizó el uso del principio de similitud en el estudio del flujo de fluidos y formuló parámetros de similitud capilar.

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Abbott, David, [ed]., El Diccionario biográfico de científicos: matemáticos (1985)

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