Irving H. Shames posee el título de profesor de facultad de ingeniería y ciencia aplicada de la Universidad
del estado de Nueva York en Buffalo y se le ha reconocido con el título de profesor distinguido del sistema de
la Universidad. El primero de estos títulos permite al profesor Shames enseñar en diferentes departamentos de
ingeniería; el segundo le proporciona recursos que son importantes en su labor como escritor.
Su empeño como tal se ha extendido a lo largo de un periodo de 35 años, durante el cual ha publicado 10
libros. La mayor parte de éstos se han traducido a otros idiomas como español, portugués, japonés, coreano,
chino y árabe. Su primer libro, Engineering Mechanics Statics and Dynamics, publicado en 1958, fue el primer libro de mecánica ampliamente utilizado basado en principios vectoriales. Esto marcó el comienzo del
uso universal del método vectorial. La primera edición de Mecúnica defluidos fue el primer texto que utilizó
la ecuación del transporte de Reynolds para la deducción eficiente de las leyes básicas y que utilizó el volumen de control no inercial. De hecho, un examen de la edición de 1962 revelará que la mayor parte de los
textos de fluidos de hoy en día se asemejan bastante a este texto innovador. Asimismo otras de sus obras
presentan enfoques o puntos de vista innovadores.
El profesor Shames enseña la secuencia de segundo año -estática, dinámica y mecánica de sólidos- a casi
todo el cuerpo de estudiantes de ingeniería en Buffalo en una sola sesión. Además, enseña en un curso de
mecánica de fluidos dirigido a todos los estudiantes de tercer año de ingeniería mecánica y aeroespacial. En
años alternos dirige un curso de último año y de posgrado en métodos variacionales y elementos finitos y otro
de análisis inelástico de esfuerzos. Estas asignaturas son electivas y tienen un registro muy por encima del
promedio de esta universidad e involucran un amplio número de estudiantes.
Para el profesor Shames la vigencia de sus libros se explica por el hecho de que cada uno se escribió con base
en cursos que tienen asistencia grande y diversa. Por esta razón, el texto debe escribirse para que juegue un
papel importante en tales clases y esto representa la prueba más severa de claridad. Asimismo, durante 18
años el autor ha sido director de programas de ingeniería aeroespacial, en ciencias de ingeniería, bioingeniería
y en ingeniería nuclear, lo cual requiere involucrarse a fondo en el desarrollo del curriculurn de dichos programas. Esto da a su actividad de escritor un conocimiento excepcionalmente amplio que permite la continuidad
en sus libros desde los cursos brísicos, y al mismo tiempo deja caminos abiertos a cursos más avanzados.
El profesor Shames estuvo dos años como profesor visitante en el Technion Institute of Technology, en Haifa,
Israel, en una ocasión en ingeniería mecánica y en otra en ingeniería de materiales. Durante su estancia en SUNY/Buffalo, trabajó con el famoso biólogo Dr. James Danielli en la teoría de membrana con v
capa molecular doble y con él fue el coinvestigador principal en investigación de membranas.
ACERCA DEL AUTOR
En los últimos años el profesor Shames ha expandido sus actividades de enseñanza y ha establecido dos talleres de verano patrocinados por el estado de Nueva York. En 199 1, éstos se ampliaron a un programa nacional
de talleres patrocinados por la National Science Foundation (NSF). El programa involucra la integración conceptual y pedagógica de la mecánica desde el segundo año hasta la escuela de posgrado.

Primera parte Principios básicos de mecánica de fluidos
1 Nociones fundamentales 3
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
“1.7
1.8
*1.9
1.10
Nota histórica
Fluidos y el continuo
Dimensiones y unidades
Ley de la homogeneidad dimensional
Una nota sobre fuerza y masa
Ley de viscosidad de Newton: el coeficiente de viscosidad
Una nota sobre materiales no newtonianos
El gas perfecto: ecuación de estado
Compresibilidad de líquidos; tensión superficial
Colofón
3
3
5 *
7
9
10
1 5
1 7
19
27
2 Esfuerzo en un punto 37
2.1
2.2
2.3
2.4
Introducción
*2.5
2.6
2.7
2.8
Cantidades escalares, vectoriales y tensores: campos
Fuerzas superficiales y de cuerpo; esfuerzo
Esfuerzo en un punto para un fluido en reposo y
para flujos no viscosos
Movimiento de fluidos viscosos
Propiedades de esfuerzo
El gradiente
Colofón
37
37
38
39
41
43
45
47
3 Estática de fluidos 53
3.1
3.2
3.3
Introducción
Variación de la presión en un fluido estático incompresible
Variación de la presión con la elevación para un fluido
estático compresible
53
53
vii
56
CONTENIDO
3.4
3.5
59
61
3.6
3.7
“3.8
3.9
La atmósfera estándar
Efecto de la fuerza superficial sobre un fluido confinado que
permanece estático
Fuerza hidrostática sobre una superficie plana sumergida en
un fluido estático incompresible
Fuerza hidrostática sobre superficies curvas sumergidas
Una nota sobre superficies curvas complejas
Ejemplos de fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas
sumergidas
Leyes de boyamiento
Consideraciones de estabilidad para cuerpos en flotación
Colofón
61
68
71
3.10
*3.11
3.12
73
77
83
88
4 Fundamentos del análisis de flujo 107
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
El campo de velocidad
Dos puntos de vista
Aceleración de una partícula de flujo
Flujo irrotacional
107
109
110
113
119
120
120
4.9
4.10
Relación entre flujo irrotacional y viscosidad
Leyes básicas y secundarias para medios continuos
Sistemas y volúmenes de control
Una relación entre el enfoque de sistemas y el enfoque de
volúmenes de control
Flujos unidimensionales
Colofón
121
127
131
5 Leyes básicas para sistemas finitos y volúmenes de
control finitos, 1: continuidad y momentum 137
5.1 Introduccibn
5.2
Parte A. Conservación de la masa
Ecuación de continuidad
5.3
5.4
5.5
*5.6
Parte B. Momentum lineal
Análisis de sistemas
5.7
5.8
5.9
“5.10
5.11
Volúmenes de control fijos en un espacio inercia1
Empleo de la ecuación de momentum lineal en un volumen de control
Volúmenes de control no inerciales
*Parte C. Momento de momerztum
Momento de momentum para un sistema
Método del volumen de control para la ecuación de
momento de momentum en volúmenes de control inerciales
Ecuación de momento de momentum aplicada a bombas y turbinas
Momento de momentum para volúmenes de control no inerciales
Colofón
137
137
137
141
141
142
144
159
163
163
165
172
17’7
182
viii 6 Leyes básicas para sistemas finitos y volúmenes
de control finitos. II: termodinámica 203
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
Introducción
Nota preliminar
Ancílisis de sistemas
Análisis del volumen de control
Problemas que involucran la primera ley de la termodinámica
Ecuación de Bernoulli a partir de la primera ley de la
termodinámica
203
203
204
205
210
6.7 Una nota sobre la segunda ley de la termodinámica
"6.8 La segunda ley de la termodinámica
6.9 Colofón
216
222
222
224
7 Formas diferenciales de las leyes básicas 237
7.1 Introducción 237
7.2
7.3
"7.4
Parte A. Desarrollo elemental de las formas
diferenciales de las leyes básicas
Conservación de la masa
Ley de Newton; ecuacibn de Euler
Líquidos bajo aceleración lineal uniforme
o bajo
velocidad angular constante
Integración de la ecuación de Euler para flujo
permanente; ecuación de Bernoulli
Ecuación de Bernoulli aplicada aflujo irrotacional
Ley de Newton para flujos generales
Problemas que involucran flujos laminares paralelos
*Parte B. Forma diferencial de las leyes básicas:
una aproximación más general
Notación Índice y fórmula de Cauchy
Teorema de Gauss
238
238
240
241
7.5
7.6
*7.7
7.8
249
250
251
254
7.9
7.10
7.11
7.12
7.13
7.14
7.15
7.16
Conservación de la masa
Ecuaciones de momentum
Primera ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Leyes b;ísicas en coordenadas cilíndricas
Colofón
262
262
264
266
266
268
271
272
273
8 Análisis dimensional y similitud 281
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
Grupos adimensionales
Parte A. Análisis dimensional
Naturaleza del análisis dimensional
Teorema de
n de Buckingharn
Grupos adimensionales importantes en mec5nica de fluidos
Crílculo de los grupos adimensionales
Parte B. Similitud
Similitud dinámica
Relación entre análisis dimensional
y similitud
281
281
281
283
285
285
8.6
8.7
291
291 ix
293
CONTENIDO
8.8 Significado físico de grupos adimensionales importantes
en mecánica de fluidos
8.9 Uso práctico de los grupos adimensionales
8.10 Similitud cuando se conoce la ecuación diferencial
8.11 Colofón
Segunda parte Análisis de flujos internos importantes
297
300
302
303
9
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
9.10
9.11
9.12
9.13
9.14
9.15
9.16
*9.17
“9.18
9.19
10
10.1
* 10.2
10.3
Flujo viscoso incompresible a través de tuberías
Parte A. Comparación general entre flujos laminares y flujos turbulentos
Introducción
Flujos laminares y turbulentos
Parte B. Flujo laminar
Primera ley de la termodinámica para flujo en tuberías;
pérdida de altura
Problemas de flujo laminar en tuberías
Condiciones de entrada a la tubería
Parte C. Flujos turbulentos: consideraciones
experimentales
Nota preliminar
Pérdida de altura en una tubería
Perfil de velocidad y esfuerzo cortante en la pared para
flujo turbulento
Pérdidas menores en sistemas de tuberías
Parte D. Problemas de flujo en tuberías
Solución a problemas de tuberías en serie
Líneas de altura piezométrica y de energía total
Conductos no circulares
Parte E. Flujos turbulentos con números de Reynolds elevados
Esfuerzo aparente
Perfiles de velocidad para flujos turbulentos con números
de Reynolds elevados
Detalles de los perfiles de velocidad para tuberías
lisas y rugosas
Problemas para flujos con números de Reynolds elevados
Parte F. Flujo en tuberías en paralelo
Problemas de tuberías en paralelo
Tuberías ramificadas
Colofón
Flujo viscoso incompresible general: las ecuaciones de Navier-Stokes 397
Introducción
Parte A. Flujo laminar
Ley de viscosidad de Stokes
Ecuaciones de Navier-Stokes para un flujo laminar incompresible
315
315
315
316
318
318
323
326
327
327
328
333
335
340
340
349
351
353
353
355
362
367
370
370
374
378
397
398
398
403
10.4 Flujo paralelo: consideraciones generales 406
x
10.5 Problemas de flujo paralelo laminar 408
10.6 Una nota 414
CONTEN100
*10.7
“10.8
10.9
10.10
10.11
Ecuaciones de Navier-Stokes simplificadas para una
placa de flujo muy delgada
Ley de similitud dinAmica a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes
*Parte B. Flujo turbulento
Un comentario
415
418
422
422
422
10.12
10.13
Promedios temporales para flujo turbulento permanente
Ecuaciones de Navier-Stokes para las magnitudes medias
temporales: esfuerzo aparente
Manifestación del esfuerzo aparente: viscosidad de remolino
Colofón
423
427
427
l l Flujo compresible unidimensional 431
11.1 Introducción
11.2
ll .3
11.4
11.5
Parte A. Preliminares básicos
Relaciones termodinámicas para un gas perfecto
Propagación de una onda elástica
El cono de Mach
ll.6
ll.7
11.8
431
432
432
434
438
440
440
440
11.9
11.10
11.11
11.12
11.13
11.14
11.15
Una nota sobre flujo compresible unidimensional
Parte B. Flujo isentrópico con cambio simple de área
Leyes básicas y secundarias para flujo isentrópico
Propiedades locales en el punto de estancamiento isentrópico
Una diferencia importante entre flujo subsónico y flujo
supersónico unidimensional
Flujo isentrópico de un gas perfecto
Flujo en una boquilla real en condiciones de diseno
Parte C. La onda de choque normal
Introducción
11.16
11.17
Líneas de Fanno y de Rayleigh
Relaciones para una onda de choque normal
Relaciones de onda de choque normal para un gas perfecto
Una nota sobre ondas de choque oblicuas
Parte D. Operación de boquillas
Una nota sobre chorros libres
Operación de boquillas
*Parte E. Flujo a través de un dueto de sección
constante con fricción
Introducción
Ecuaciones de flujo adiabático en sección constante para un gas perfecto
*Parte F. Flujo permanente a través de un dueto
de sección constante con transferencia de calor
Introducción
446
448
451
454
454
455
458
459
464
468
468
469
11.18
11.19
473
473
474
11.20
11.21
ll.22
Relaciones para un gas perfecto
Colofón
482
482
483
488
Tercera parte Análisis de flujos externos importantes
12 Flujo potencial
12.1 Introducción
501 xj.
501
CONTENIDO
12.2
12.3
12.4
12.5
Parte A. Consideraciones matemáticas
Circulación: conectividad de regiones
Teorema de Stokes
12.6
12.7
12.8
12.9
Circulación en flujos irrotacionales
Potencial de velocidad
Parte B. Función de corriente y relaciones importantes
Función de corriente
12.10
Relación entre la función de corriente y el campo de velocidad
Relación entre la función de corriente y las líneas de corriente
Relación entre la función de corriente y el potencial de velocidad
para flujos irrotacionales, bidimensionales e incompresibles
Relaciones entre las líneas de corriente y las líneas
de potencial constante
502
502
503
505
505
507
507
509
510
511
512
12.11
12.12
12.13
12.14
12.15
12.16
12.17
12.18
12.19
Parte C. Análisis básico de flujo bidimensional,
incompresible e irrotacional
Un análisis acerca de las cuatro leyes básicas
Condiciones de frontera para flujos no viscosos
Coordenadas polares
Parte D. Flujos simples
Naturaleza de los flu,jos simples que se estudiarán
Metodologías de solución para flujo potencial
Flujo uniforme
Fuentes y sumideros bidimensionales
El vórtice simple
El doblete
12.20
12.21
12.22
12.23
12.24
12.25
Parte E. Superposición de flujos simples bidimensionales
Nota introductoria sobre el método de superposición
Sumidero con vórtice
12.26
12.27
12.28
Flujo alrededor de un cilindro sin circulación
Sustentación y arrastre para un cilindro sin circulación
Caso del cilindro giratorio
Suslentación y arrastre para un cilindro con circulación
*Parte F. Flujos axisimétricos tridimensionales
Introducción
Función de corriente de Stokes
Relación entre líneas de corriente, función de corriente
y campo de velocidad
Aplhción de las leyes básicas
Flu.jo uniforme
Fuentes y sumideros tridimensionales
Doblete tridimensional
Flujo permanente alrededor de una esfera
Flu,j~s alrededor de cuerpos de revolución
Coll)fón
513
513
516
516
520
520
521
524
524
526
528
533
533
533
535
537
538
541
545
545
546
12.29
12.30
12.31
12.32
12.33
12.34
12.35
547
549
550
551
552
553
555
558
1 3 Teoría de capa límite 571
xii 13.1 Anotaciones introductorias 571
13 .i1 Espesor de la capa límite 572
CONTENIDO .-
“13.3 Ecuaciones simplificadas de la capa límite para flujo laminar;
ecuación de Blasius
13.4
13.5
13.6
13.7
13.8
13.9
13.10
13.11
13.12
“13.13
*13.14
“13.15
13.16
Ecuación integral de momentum de Von Kármán y fricción
superficial
Parte A. Capas límites laminares
Uso de la ecuación integral de ~onwlfw?z de Von Kármán
Fricción superficial para flujo en una capa límite laminar
Transición para flujo en una placa plana
Parte B.1 Capas límites turbulentas: placas lisas
Espesor de la capa límite sobre placas planas lisas
Arrastre por fricción superficial sobre placas lisas
Parte B.2 Capas límites turbulentas: placas rugosas
Arrastre por fricción superficial en capa límite turbulenta
sobre placas rugosas
Parte C. Flujo sobre cuerpos curvos sumergidos
Flujo sobre fronteras curvas; separación
-Arrastre sobre cuerpos sumergidos
Estela detrk de un cilindro
Perfiles de alas; comentarios gcneralrs
Temas adicionales sobre perfiles de alas, arrastre inducido y flujo transónico
Colofón
14 Flujo a superficie libre
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5
14.6
14.7
14.8
‘14.9
*14.10
Introducción
Consideración del perfil de velocidad
Flujo normal
14.11
14.12
Flujo normal: métodos modernos
Sección hidkiulicamente óptima
Ondas gravitacionales
Energía específica; flujo crítico
Flujo variado en canales rectangulares cortos
Flujo gradualmente variado sobre canales largos
Clasificación de los perfiles superficiales para flujos
gradualmente variados
Flujo rápidamente variado; el resalto hidrhulico
Colofhn
15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
*Turbomaquinaria
Parte A. Consideraciones generales
Introducción
Relaciones de similitud para turbomkluinas
Velocidad específica
Las leyes bkicas
Parte B. Turbinas
Comentarios introductorios
Turbinas de i~npulso
575
581
583
583
586
591
593
593
596
602
602
606
606
609
620
621
625
628
645
645
645
646
651
655
658
660
668
672
677
682
687
699
499
699
70 I
704
707
710
710 xiji
710
15.7
15.8
15.9
15.10
15.11
Turbinas de reacción de flujo radial y axial 715
Turbinas (y compresores) de reacción con cascadas de Slabes 720
Parte C. Ventiladores, bombas, sopladores y compresores 723
Anotaciones introductorias 723
Bombas y sopladores de flujo radial 724
Colofón 731
16 *Mecánica computacional de fluidos 739
16.1 Introducción
16.2
16.3
16.4
Parte A. Métodos numéricos 1
Operaciones numéricas para derivación e integración
Parte B. Problemas de flujo representados mediante
ecuaciones diferenciales ordinarias
Un comentario
739
739
739
745
745
16.5
16.6
Introducción a la integración numérica de ecuaciones
diferenciales ordinarias
Notas sobre programación
Problemas
745
747
748
Parte C. Problemas de flujo permanente representados
mediante ecuaciones diferenciales parciales
Introducción a los problemas de flujo permanente con
valores frontera
Flujo potencial
Flujo viscoso laminar incompresible en un dueto
Proyectos
760
16.7
16.8
16.9
16.10
760
764
767
770
Respuestas a problemas seleccionados 773
Bibliografía 779
A.1 Métodos de medición 781
A.T. 1
A.T.2
A.T.3
A.I.4
A.I.5
A.1.6
A.I.7
A.1.8
Introducción
Medición de presiones
Medición de velocidades
Medición de caudal en flujo incompresible en tuberías
Medición de caudal en flujo compresible en tuberías
Medidas de flujo a superficie libre; el vertedero
Medición de la viscosidad
Colofón
781
781
783
784
789
793
796
800
A.11
B
Deducción de la ecuación diferencial para el flujo adiabático en
área constante para un gas perfecto 801
Curvas y tablas 803
índice 814

El desarrollo de la tercera edición se facilitó debido a una gran oportunidad. Corno profesor de facultad mi
enseñanza no está restringida a un solo departamento. Por consiguiente, a pesar de que pertenezco al departamento de ingeniería civil, en 1979 fui invitado por nuestro departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial
para dirigir el curso de segundo año en mecánica de fluidos a los estudiantes y tuve completa libertad en la
forma de presentación y contenido del curso. Ha habido entre 160 y 180 estudiantes cada año en esta clase.
Particularmente valioso para mí fue el hecho de que la mitad de la clase estaba compuesta por estudiantes de
transferencia de una amplia gama de programas, que variaban desde programas de ingeniería de universidades
grandes hasta programas de preingeniería de universidades pequeñas. Mi experiencia de enseñar a una clase
grande de estudiantes con diferentes tipos de preparación ha sido la mejor forma para desarrollar un libro. Por
consiguiente, se me presentó una oportunidad única para trabajar en la tercera edición. Asimismo, para compensar la extraordinaria confianza dada por mis colegas en el departamento de ingeniería mecanica y aeroespacia),
hubo una gran motivación para mejorar el libro, en particular desde el punto de vista pedagógico. La tercera
edición es el resultado de un esfuerzo continuo, primordialmente en esta dirección, durante toda una década.
Ahora presento algunos de los cambios hechos durante este periodo.
Como escritor siempre he incluido material en el libro que va más allá de lo que puede cubrirse formalmente en
clase; esto incluye lo que puede considerarse como “material avanzado”. En mis clases siempre he dado un
pequeño resumen de la mayor parte de este material con propósitos de orientación. Además, siempre
deseo motivar a los estudiantes para que estudien por su cuenta este material durante los cursos y, XV
particularmente, en tiempos posteriores, en conexión con otros cursos más avanzados. Mis estudiantes
me dicen que esto es una práctica muy beneficioha, de manera que la he incorporado en la tercera edición.
Luego;. antes de cualquier sección avanzada (señal,Ida con asterisco o con letra más pequeña) habrá una explicacií I: resumida sobre lo que se hará en forma más cuidadosa y rigurosa inmediatamente después.
En los úitimos años he encontrado que los estudia Ites tienen problemas al proyectar superficies curvas que son
complejas pero que tienen aberturas simples, conXo la superficie exterior de un sistema de tuberías ramificado.
En el capítulo sobre hidrostática se presentan an: lisis y problemas sobre este tipo de superficies. Esto es particulermente benéfico en el capítulo 5 cuando se e.:tudia el flujo de momentum a través de un volumen de control
que se extiende sobre el flujo interno de algún Lparato. Pueden incluirse fuerzas que constan de fuerzas inrer-
~7s y calcular, por ejemplo, el empuje de un tu borreactor sobre un marco de prueba. En ciertas condiciones,
utilizando simplementepre.riones manométricx: ; en este cálculo, se demuestra que la fuerza sobre la superficie
exterior (que no hace parte de la superficie c”r control) ocasionada por la presión atmosférica estará autorn$-icamente incluida. Deseo que los estudiantes consideren los voltimenes de control y las ecuaciones asociadas a éstos con el mismo cuidado y la misma precisión que se espera que ellos utilicen en los diagramas de
cuc rpo libre en mecánica de segundo año. De manera específica deseo, al menos en principio, que ellos consider:n el volumen de control y la ecuación de r:lomentzrrn acompañante como un cálculo separado del cálculo de
la fuerza sobre una superficie curva (exterirr, usualmente una superficie compleja que no hace parte de la
superficie de control con aperturas simples y expuesta a la presión atmosférica uniforme). Cuando se ha hecho
estct con toda claridad, permito el uso de presiones manométricas para simplificar los cálculos. (Sin embargo,
se han incluido problemas de trabajo donde esto MI puede hacerse). Después de este inicio cuidadoso, generalmente el texto utiliza la opción de un cálculo mis corto utilizando presión manométrica, cuando este enfoque
se rjermite.