Guías de laboratorio de Mecánica de Fluidos, Diapositivas de Mecánica de Fluidos

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MECÁNICA DE FLUIDOS

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Guías Mecánica de fluidos Página 4

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FORMATO TOMA DE DATOS .......................................................................... 53

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• Guías Mecánica de fluidos Página
• LABORATORIO N°1. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS T ABLA DE CONTENIDO
  • 1.1 OBJETIVOS
  • 1.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS
  • 1.3 MATERIALES
  • 1.4 PROCEDIMIENTO
    • 1.4.1 Prueba N°1: Densidad
      • 1.4.1.1 Método N°1: Medición con el Beaker
      • 1.4.1.2 Método N°2: Principio de Arquímedes
      • 1.4.1.3 Método N°3: Botella de densidad
    • 1.4.2 Prueba N°2: Capilaridad
    • 1.4.3 Viscosímetro de caída de bola.............................................................
  • 1.5 MARCO TEÓRICO...................................................................................
    • 1.5.1 Densidad
    • 1.5.2 Peso específico
    • 1.5.3 Densidad relativa
    • 1.5.4 Tensión superficial
    • 1.5.5 Capilaridad
    • 1.5.6 Viscosidad
      • 1.5.6.1 Ley de Stokes
      • 1.5.6.2 Velocidad observada
      • 1.5.6.3 Velocidad corregida
    • 1.5.6.4 Viscosidad absoluta o dinámica μ
    • 1.5.6.5 Viscosidad relativa o cinemática υ..................................................
  • 1.6 CUESTIONARIO
    • 1.6.1 Prueba N°1: Densidad
    • 1.6.2 Prueba N°2: Capilaridad
    • 1.6.3 Prueba N°3: Viscosidad
• Guías Mecánica de fluidos Página
  • FORMATO DE TOMA DE DATOS MECÁNICA DE FLUIDOS
• LABORATORIO N°2. FUERZAS SOBRE SUPERFICIES PLANAS
  • 2.1 OBJETIVOS.................................................................................................
  • 2.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS
  • 2.3 MARCO TEÓRICO
    • 2.3.1 Fuerzas de presión................................................................................
    • 2.3.2 Determinación teórica del Ycp
    • 2.3.3 Determinación experimental del Ycp
    • 2.3.4 Expresiones a usar para superficies totalmente sumergidas
    • 2.3.5 Expresiones a usar para superficies parcialmente sumergidas
  • 2.4 PROCEDIMIENTO.......................................................................................
    • 2.4.1 Prueba N°1: Área totalmente sumergida
    • 2.4.2 Prueba N°2: Área parcialmente sumergida
  • 2.5 CUESTIONARIO
    • 2.5.1 Prueba N°1: Área totalmente sumergida
    • 2.5.2 Prueba N°2: Área parcialmente sumergida
  • 2.6 CONSULTA
  • FORMATO TOMA DE DATOS
  • FORMATO DE CÁLCULOS...............................................................................
• LABORATORIO N°3. EMPUJE Y FLOTACIÓN
  • 3.1 OBJETIVOS.................................................................................................
  • 3.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS
  • 3.3 MARCO TEÓRICO
    • 3.3.1 Presión hidrostática
    • 3.3.2 Estabilidad de un cuerpo flotante.......................................................
  • 3.4 PROCEDIMIENTO.......................................................................................
    • 3.4.1 Prueba N°1: Ley de Pascal
    • 3.4.2 Prueba N°2: Ley de Arquímedes (Empuje de un fluido)
• Guías Mecánica de fluidos Página - 3.4.3 Prueba N°3: Análisis de flotación MECÁNICA DE FLUIDOS - 3.4.4 Prueba N°4: Estabilidad de un cuerpo flotante - 3.4.4.1 Parte a - 3.4.4.2 Parte b
  • 3.5 CUESTIONARIO
    • 3.5.1 Prueba N°1: Ley de Pascal
    • 3.5.2 Prueba N°2: Ley de Arquímedes (Empuje de un fluido)
    • 3.5.3 Prueba N°3: Análisis de flotación
    • 3.5.4 Prueba N°4: Estabilidad de un cuerpo flotante
  • FORMATO TOMA DE DATOS
  • FORMATO DE CÁLCULOS...............................................................................
• LABORATORIO N°4. MEDIDORES DE FLUJO-VENTURÍMETRO
  • 4.1 OBJETIVOS.................................................................................................
  • 4.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS
  • 4.3 MARCO TEÓRICO
  • 4.4 PROCEDIMIENTO.......................................................................................
    • 4.4.1 Instalación del equipo............................................................................
    • 4.4.2 Calibración de los manómetros
    • 4.4.3 Procedimiento experimental
  • 4.5 CUESTIONARIO
  • FORMATO TOMA DE DATOS
  • FORMATO DE CÁLCULOS...............................................................................
• LABORATORIO N°5. IMPACTO DE CHORRO
  • 5.1 OBJETIVOS.................................................................................................
  • 5.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS
  • 5.3 MARCO TEÓRICO
  • 5.4 PROCEDIMIENTO.......................................................................................
  • 5.5 CUESTIONARIO
• Guías Mecánica de fluidos Página
• Tabla N°1. Método N°1: Medición con el Beaker LISTA DE TABLAS
• Tabla N°2. Método N°2: Principio de Arquímedes
• Tabla N°3. Método N°3: Botella de densidad
• Tabla N°4. Tubos
• Tabla N°5. Placas..................................................................................................
• Tabla N°6. Viscosidad aceite de cocina
• Tabla N°7. Viscosidad glicerina
• Tabla N°8. Área parcial y totalmente sumergida, toma de datos
• Tabla N°9. Área totalmente sumergida a diferentes ángulos
• Tabla N°10. Área parcialmente sumergida a diferentes ángulos
• Tabla N°11. Área parcialmente sumergida a cero grados
• Tabla N°12. Área totalmente sumergida a cero grados
• Tabla N°13. Empuje de un fluido
• Tabla N°14. Inclinación de un cuerpo flotante
• Tabla N°15. Estabilidad de un cuerpo flotante
• Tabla N°16. Empuje de un fluido
• Tabla N°17. Estabilidad de un cuerpo flotante
• Tabla N°18. Alturas piezométricas.
• Tabla N°19. Caudal experimental o real.
• Tabla N°20. Alturas piezométricas.
• Tabla N°21. Qexp, Qteórico, Cd y diferencia de presiones sección A y D.
• Tabla N° 22. Distribución ideal de presiones.
• Tabla N°23. Energía Q
• Tabla N°24. Cabeza de velocidad.
• Tabla N°25. Energía total.
• Tabla N°26. Alabe plano
• Tabla N°27. Alabe hemisférico.

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 7

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LABORATORIO N°1. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

1.1 OBJETIVOS

 Determinar la densidad del agua, aceite, alcohol y glicerina. Por medio de diferentes métodos y a temperatura ambiente.  Calcular la tensión superficial del agua por medio de tubos y placas capilares.  Determinar la viscosidad del aceite y la glicerina a temperatura ambiente por medio del equipo de viscosímetro de caída de bola.  Comparar los resultados obtenidos, con los valores numéricos encontrados en tablas y determinar el error porcentual.

1.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS

 Balanza.  Vaso metálico o Eureka.  Beaker.  Cilindro guía.  Cronometro.  Esferas metálicas.  Picnómetro.

 Probeta.  Regla.  Sólido de geometría regular.  Termómetro.  Tubos y placas de capilaridad.  Cinta

1.3 MATERIALES

 Aceite de cocina.  Agua.

 Alcohol.  Glicerina.

1.4 PROCEDIMIENTO

1.4.1 Prueba N°1: Densidad

Para determinar la densidad de un líquido es necesario medir la masa de un volumen. A través de tres métodos se calcularán las densidades para los siguientes fluidos:

 Agua de grifo.  Alcohol antiséptico

 Aceite de cocina.  Glicerina.

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 9

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Figura N°1. Aparato para pruebas de capilaridad

Fuente: Elaboración propia.

1.4.3 Viscosímetro de caída de bola

a) Llene la probeta con glicerina o aceite y coloque el cilindro guía. b) Coloque bajo el cilindro guía las bandas de cinta separadas a una distancia de 200mm. c) Introduzca dentro del cilindro guía cada una de las esferas. d) Mida el tiempo que tarda una esfera en descender la distancia entre las bandas de cinta. e) Repita el procedimiento con el otro fluido.

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 10

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Figura N°2. Viscosímetro de caída de bola

Fuente: Elaboración propia.

1.5 MARCO TEÓRICO

1.5.1 Densidad

Se define como la masa de una sustancia contenida en una unidad de volumen. La unidad de densidad en el SI (Sistema Internacional) es el Kilogramo por metro cúbico y se denota por la letra griega ρ (ro).

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 (𝑚^3 )

La densidad en cuerpos homogéneos es constante en todos los puntos, mientras que para cuerpos heterogéneos, esta varía de un punto a otro. El valor típico de la densidad del agua es 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1000𝐾𝑔/𝑚^3.

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 12

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1.5.5 Capilaridad

La elevación o descenso de un líquido en un tubo capilar es producto de la tensión superficial, dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión y de la adhesión del líquido a las paredes del tubo. Los líquidos ascienden en tubos que mojan (adhesión>cohesión) y descienden en tubos a los que no mojan (cohesión>adhesión). La capilaridad es importante en tubos de diámetros inferiores a los 10mm.

Dónde:

 ht = La altura en el tubo capilar [m].  hp = Altura entra placas [m].  σ = Tensión superficial [N/m].  ρ = Densidad del fluido [Kg/m^3 ].  g = aceleración de la gravedad en [m/s^2 ].  D = Diámetro del tubo capilar [m].  b = Separación entre placas [m].

1.5.6 Viscosidad

Es la resistencia al corte que exhibe un fluido, se debe a las interacciones entre las moléculas del fluido. El coeficiente de viscosidad es constante, en el sentido de que no depende de la velocidad. Sin embargo, depende de otros factores físicos, particularmente de la presión y la temperatura.

1.5.6.1 Ley de Stokes

Debido a la existencia de la viscosidad, cuando un fluido se mueve alrededor de un cuerpo o se desplaza en el seno de un fluido, se produce una fuerza de arrastre sobre dicho cuerpo. Si este cuerpo es una esfera, la fuerza de arrastre se da por la siguiente expresión.

𝐹𝑎 = 6 ∗ 𝑉 ∗ 𝑟 ∗ 𝜇 (7)

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 13

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Dónde:

 Fa = Fuerza de arrastre [N].  V = velocidad de la esfera respecto al fluido [m/s].  r = radio de la esfera [m].  μ = Viscosidad dinámica o absoluta del fluido [Pa*s].

Esta relación fue deducida por George Stokes en 1845, y se denomina ley de Stokes. En base a esta ley, si se deja caer una esfera en un recipiente el cual contiene un fluido, debe existir una relación entre el tiempo empleado en recorrer una determinada distancia y la viscosidad de dicho fluido.

Para determinar la viscosidad absoluta a través del viscosímetro de caída de bola, se requiere primero conocer la velocidad observada y la velocidad corregida.

1.5.6.2 Velocidad observada

𝑉𝑂 =

Dónde:

 VO = Velocidad observada de caída de la esfera [m/s].  y = Distancia recorrida por la esfera [m].  t = tiempo que dura en recorrer la distancia [s].

1.5.6.3 Velocidad corregida

𝑉 = 𝑉𝑂 [1 +

(9𝐷𝑒)^2

(4𝐷𝑡)^2

] (9)

Dónde:

 V = Velocidad corregida [m/s].  De = Diámetro de la esfera [m].  Dt = Diámetro del tubo [m].

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 15

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 Con el valor que considere más preciso de densidad, obtenida para cada fluido, calcule la densidad relativa. Justifique su respuesta comparando este valor obtenido con los establecidos en los textos.  Enunciar las variables que tienen mayor influencia en la densidad.

1.6.2 Prueba N°2: Capilaridad

 Calcule la tensión superficial (σ) con las alturas, separaciones entre placas, diámetro del tubo capilar y la densidad más exacta que se encontró en la prueba de densidad, teniendo en cuenta la temperatura del fluido.  Realice la gráfica de Altura capilar Vs Diámetro y de Altura capilar Vs Separación, interprételas y explique cómo afecta el diámetro o la separación en la elevación del fluido.  ¿Hasta dónde llegaría el nivel del agua si se tuviese una serie de tubos de diferentes diámetros, interconectados entre sí?

1.6.3 Prueba N°3: Viscosidad

 Calcular la viscosidad dinámica y cinemática del aceite y la glicerina, use el valor de densidad más exacto.  Comparar los resultados obtenidos con los valores establecidos en diferentes textos, justificando si el resultado es correcto o no.  Enunciar las variables que tienen influencia en la viscosidad.  ¿Cuál es la viscosidad dinámica de un fluido en reposo?

Laboratorio Nº 1. Propiedades de los fluidos. Página 16

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FORMATO DE TOMA DE DATOS

Firma del laboratorista: ______________________________ Fecha___// Nombres: Códigos: Firmas:

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Prueba N°1: Densidad

Tabla N°1. Método N°1: Medición con el Beaker

Fluido (^) Beaker (g)Peso del

Volumen del fluido (cm^3 )

Peso del beaker + Fluido (g)

Densidad (Kg/m^3 ) Agua de grifo Aceite Alcohol Glicerina

Tabla N°2. Método N°2: Principio de Arquímedes

Fluido (^) Beaker (g)Peso del

Volumen del fluido (cm^3 )

Peso del beaker + Fluido (g)

Densidad (Kg/m^3 )

Agua de grifo Aceite Alcohol Glicerina

Tabla N°3. Método N°3: Botella de densidad

Fluido (^) Beaker (g)Peso del

Volumen del fluido (cm^3 )

Peso del beaker + Fluido (g)

Densidad (Kg/m^3 ) Agua de grifo Aceite Alcohol Glicerina

Laboratorio Nº 2. Fuerzas sobre superficies planas. Página 18

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LABORATORIO N°2. FUERZAS SOBRE SUPERFICIES PLANAS

2.1 OBJETIVOS

 Aplicar por medio del tanque cuadrante del banco de pruebas hidráulicas los principios hidrostáticos que rigen las fuerzas sobre las superficies en contacto, comprobando el comportamiento con áreas, total y parcialmente sumergidas.  Calcular centros de presión de forma experimental y teórica para superficies total y parcialmente sumergidas a diferentes ángulos de inclinación.

2.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS

 Banco de pruebas hidráulicas.  Tanque cuadrante.  Beaker.

 Juego de pesas.  Regla.

Figura N°3. Tanque cuadrante.

Fuente: Guías laboratorio de Mecánica de Fluidos, 2009.

Laboratorio Nº 2. Fuerzas sobre superficies planas. Página 19

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2.3 MARCO TEÓRICO

Para los sólidos en reposo, las fuerzas en superficie pueden actuar en cualquier dirección, el caso de los fluidos en reposo es distinto. Esto debido a que la fuerza ejercida en una superficie por un fluido es siempre perpendicular al plano de la superficie, con esto se puede afirmar que no existen componentes tangenciales, ya que sí existieran, el fluido estaría en movimiento, fluiría. El centro de presión es un punto donde se puede asumir que el empuje total del fluido actúa normal al plano. Así de este modo la presión es la fuerza normal por unidad de superficie.

Como parte de una balanza se encuentra el tanque cuadrante que contiene el agua, la presión total que ejerce el fluido sobre la superficie no genera momento, debido a que los lados cilíndricos del cuadrante tienen sus radios coincidiendo con el centro de rotación del tanque. El único momento que se va a presentar es el de la presión del fluido actuando sobre la superficie plana. Para la medición de este momento de forma experimental, se deben colocar las pesas en el soporte que se encuentra al extremo del brazo contrario opuesto al tanque cuadrante. Y con la ayuda de un segundo tanque que se encuentra en el mismo lado del brazo de la balanza, se puede equilibrar el sistema.

Figura N°4. Medición para el ensayo de la presión hidrostática.

Fuente: Elaboración propia.