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INFORME DE LABORATORIO PARA EL ESTUDIOSO (Formato para elaborar el estudiante)

ESTUDIANTES: HÉCTOR LEÓN TORRE JOSÉ DE JESÚS DAZA

Física de fluidos Grupo de practica NOTA:

PROGRAMA: OBJETIVOS: Determinar cómo el movimiento de los fluidos afecta la presión MATERIALES:

Simulador Phet interactive Simuletions. Computador Cuaderno MARCO TEÓRICO:

PRESIÓN: En mecánica, fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el Sistema Internacional de unidades (SI), la presión se expresa en Newton por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un Pascal (Pa).Sin embargo en la práctica, se expresa con frecuencia la presión en altura equivalente de columna de un líquido determinado: por ejemplo en metros de columna de agua, en milímetros de columna de mercurio, etc. Dimensionalmente la presión no es igual a una longitud, sino es igual a una fuerza partida por una superficie. Por eso en el Sistema Internacional de Unidades las alturas como unidades de presión han sido abolidas aunque no hay dificultad en seguir utilizándose como alturas equivalentes. Entonces la presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión y cuando menos sea la superficie para una fuerza dada, mayor será entonces la presión resultante. ESTÁTICA DE FLUIDOS: Un fluido se define como una sustancia que cambia su forma continuamente siempre que esté sometida a un esfuerzo cortante, sin importar que tan pequeño sea, el fluido para que se considere estático, todas sus partículas deben permanecer en reposo o mantener la misma velocidad constante respecto a un sistema de referencia inercial. Al considerar los líquidos, estos presentan cambios muy pequeños en su densidad a pesar de estar sometidos a grandes presiones, el fluido se denomina incomprensible y se supone que si densidad en constante para efecto de los cálculos.

FUERZA HIDROSTÁTICA: Una vez determinada la manera en que la presión varía en un fluido en estado estático podemos indagar la fuerza sobre una superficie sumergida, provocada por la distribución de presión, en un líquido en equilibrio estático. Esto implica que debemos especificar: • L magnitud de la fuerza • La dirección de la fuerza • La línea de acción de la fuerza resultante Para este estudio consideremos por separado las superficies planadas como las curvas. 20. Para calcular una fuerza hidrostática sobre un cuerpo hay que tener en cuenta el área de ese cuerpo y la distribución de presiones sobre esa área. Esta fuerza hidrostática (normal a la superficie) será una fuerza total/resultante (o equivalente), que será representativa de la distribución de presión (y por lo tanto de fuerzas) sobre ese cuerpo. EMPUJE HIDROSTÁTICOPRINCIPIO DE ARQUÍMEDES: El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, será empujado con una fuerza vertical ascendente igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newton (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así: E=mg=ρf×g×V Dónde: ρf = Densidad de un fluido, V = Volumen del cuerpo sumergido, g = Aceleración de la gravedad. LEYES DE BOYAMIENTO: La fuerza de boyamiento sobre un cuerpo se define como la fuerza vertical neta causada por el fluido o los fluidos en contacto con el cuerpo. En un cuerpo de flotación, la fuerza superficial causada por los fluidos en contacto con los mismos, se encuentran en equilibrio con la fuerza de gravedad que actúa sobre el cuerpo. Para determinar la fuerza de boyamiento sobre los cuerpos en flotación y sujetos a otras condiciones, solo es necesario calcular la fuerza vertical neta sobre las superficie del cuerpo utilizando los mimos principios utilizados para calcular las fuerzas hidrostáticas sobre superficies, en consecuencias, no son entonces las dos leyes de flotación enunciadas por Arquímedes en se siglo tercero antes del cristo: • Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de flotación vertical al peso del fluid que desaloja • Un cuerpo que flota desaloja su propio peso en el fluido en el que flota ESTABILIDAD DE FLOTACIÓN: Un cuerpo que flota, puede encontrarse en una posición de equilibrio inestable. En este caso, el cuerpo volcara a la primera oportunidad, como un lápiz que está apoyado sobre su punta y se desplaza ligeramente de la vertical. La más mínima perturbación le llevara a buscar otra posición de equilibrio estable. Los ingenieros deben cuidar los diseños para impedir la inestabilidad de la flotación. La única forma de asegurar que una posición de equilibrio es estable consiste en perturbar ligeramente la posición de equilibrio del cuerpo y comprobar si aparece un momento restaurador que lo lleve a su posición de equilibrio original. Si esto ocurre, la posición es estable; en caso contrario, es instable.

Este tipo de cálculos, para cuerpos flotantes arbitrarios, constituyen un arte específico de los ingenieros navales. La determinación de la estabilidad de cuerpos en flotación con formas irregulares es difícil Incluso para los expertos. Estos cuerpos pueden tener dos o más posiciones estables. Por ejemplo, un barco puede flotar en su posición normal o invertido. Incluso las formas simples, como un cubo de densidad uniforme, presentan numerosas orientaciones d flotación estables, que pueden ser no simétricas; así, los cilindros circulares homogéneos pueden flotar con el eje de simetría inclinado con respecto a la vertical. La inestabilidad de flotación es común en la naturaleza. Los peces nadan generalmente manteniendo su plano de simetría en posición vertical. Cuando mueren, esta posición es inestable por lo que acaban flotando con su plano de simetría horizontal. Los icebergs gigantes pueden girar sobre sı mismos al cambiar sus condiciones de estabilidad cuando se derrite parcialmente la parte sumergida. Este espectacular fenómeno se ha presenciado en muy pocas ocasiones.

PROCEDIMIENTOS:

Para esta práctica se hizo uso del simulador “Presión del fluido y flujo”, encontrados en la página PhET™ INTERACTIVE SIMULATIONS

Para la experiencia con el simulador, su interfaz posee 3 tipos de estudios (figura 3): A. Presión. B. Flujo. C. Torre de agua. De los cuales se utilizarán para este laboratorio los dos últimos (B y C). El primero que es el de Flujo posee una tubería a la cual se le puede variar su diámetro, a través de ella fluye unlíquido (gasolina, agua y miel) al cual solo se le puede variar su caudal, la interfaz cuenta también con un velocímetro, un medidor de presión, una regla, y además se le puede definir que la tubería cuente o no con fricción para poder observar por medio de unos puntos el perfil de velocidad del fluido. En el segundo: “Torre de agua” se cuenta con una torre de agua a la cual se le puede suministrar un liquido (gasolina, agua y miel) desde una válvula a la cual se le puede variar su apertura, además de tienes dos opciones para definir su operación: manual o manteniendo el nivel de agua en la torre. También cuenta con un medidor de presión, un velocímetro, regla, cinta métrica y una manguera. En este simulador se puede cambiar la altura de la torre para verificar el cambio de la distancia, presión y velocidad con la que sale el liquido de la compuerta inferior de la torre.

Interfaz del simulador: A. Presión; B. Flujo; C. Torre de agua Primeramente, se utilizó el simulador “Flujo”, aquí se dejo constante el caudal a 5000 L/s y se tomó la velocidad del fluido en distintos puntos de la tubería (figura 4). Luego se le disminuyo el caudal a la tubería hasta 4000 L/s y se tomó nuevamente la velocidad al fluido en la tubería; esto se repitió hasta llegar al menor caudal posible en el simulador, el cual es de 1000 L/s.

Por último, se incrementará el área en la sección central de la tubería desde 3.1 m2 hasta su máximo 12.6 m2 y se le medirá la velocidad en las distintas áreas especificadas.

Velocidad de del líquido en la tubería Para el simulador “Torre de agua” se llenará el tanque y se le pondrán dos medidores de presión uno en la parte superior del tanque y el otro en el fondo, luego se abrirá la compuerta inferior para que salga el líquido y se medirá la velocidad con el velocímetro, luego se ajustara la válvula para que mantenga el nivel del líquido, se abre la compuerta y se mide la velocidad de salida del líquido nuevamente, luego se define la válvula a manual para bajar el nivel en el tanque y se mide la velocidad, nuevamente se vuelve a definir la válvula para que mantenga el nivel del tanque y se medirá la velocidad a la salida del tanque, y así sucesivamente hasta que el tanque quede vacío completamente. Por ultimo se varia la altura de la torre donde se encuentra el tanque a 5, 10, 15 y 18 m, y con la ayuda de la cinta métrica se medirá el alcance del liquido desde la salida del tanque hasta el punto donde cae la primera gota del fluido, y se le tomar su velocidad en este punto

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS:

La siguiente tabla muestra la velocidad para los distintos caudales especificados en el simulador.

Velocidad en la tubería para distintos caudales.

El fluido fue cambiado para cada caudal, y sus velocidades fueron las mismas, de la ecuación 1 se puede determinar que si el área transversal es igual (como es este caso), sus velocidades serán las mismas:

Ahora se le proporciona fricción a la tubería, esto con el fin de verificar el perfil de velocidad del fluido en la tubería, se tomaron las diversas velocidades en un eje vertical, ya que el fluido es laminar y su velocidad horizontal es la misma en todo el tramo de la tubería. La tabla 2 muestras los datos a las distintas alturas de la tubería (diámetro 2 m).

Velocidad del fluido con fricción Por último, en este simulador se varió el área en la sección media de la tubería, y se le midió la velocidad en este punto, la tabla 3 muestra las velocidades obtenidas para las distintas áreas.

Velocidades en las distintas áreas de la tubería. A partir de la ecuación de continuidad se determina la velocidad, la cual debe ser la misma que la columna de velocidad arroja por el simulador: La respuesta es 1.2247 m/s y el simulador da 1.2 m/s, por lo que se puede concluir que la ecuación de continuidad si es confiable y describe el perfil de velocidad del fluido en la tubería. Para el segundo simulador, se llenó el tanque y se midió la presión en la parte superior y el fondo; sus valores son los siguientes: • Parte superior: 105.3 kPa • Fondo: 198.1 kPa Luego se puso un velocímetro en la salida del tanque y se abrió la compuerta inferior para dejar salir el fluido y medir su velocidad a medida que disminuye su nivel, cabe resaltar que el tanque tiene una altura de 10 m, por lo que la tabla 4 muestra las respectivas velocidades para cada una de las distintas alturas:

Presiones y velocidades para el agua arrojadas por el simulador. Análogamente se hizo lo mismo para la gasolina y la miel, la tabla 5 contiene los resultados:

Presiones y velocidades para la gasolina y la miel arrojadas por el simulador. De la columna de velocidad se busca determinar que la ecuación de Torricelli nos proporcione el mismo dato que arroja el simulador, por lo que se continua de la siguiente manera:

Para todos los fluidos dieron las mismas velocidades, siempre y cuando se suponga que la velocidad en la parte superior del nivel del líquido es cero, por lo que nuevamente se logra observar que la ecuación de continuidad se cumple. Ahora se varia la altura del tanque y se determina la velocidad final con la que cae el líquido al suelo y el alcance desde la salida del líquido hasta donde cae. La tabla 6 contiene los datos arrojados por el simulador:

Datos arrojados por el simulador para distintas alturas del tanque. De la ecuación 3 se puede determinar la velocidad final del líquido, para así poder verificar si la velocidad arrojada por el simulador es correcta; para esto se debe especificar que la presión en la salida del tanque y la presión en el punto final del líquido son las mismas. Es decir, Pa=Pb:

Las velocidades dan iguales que las arrojadas por el simulador, comprobando nuevamente que la ecuación de Bernoulli y Torricelli son completamente competentes para estas experiencias.

CONCLUSIONES:

Se puede concluir que este simulador configurado por la plataforma PhET es eficiente a la hora de mostrar de forma didáctica la dinámica de los fluidos, se logró demostrar que la velocidad de un fluido en una tubería es la misma si el área transversal en dos puntos específicos es la misma, además se pudo observar que cuando el área aumentaba en cierta sección su velocidad aquí disminuía, corroborando lo expuesto por la ecuación de continuidad; También se logro identificar el perfil de velocidad cuando la tubería presenta fricción, notando que su velocidad (en un flujo laminar) varia en el eje vertical, y que en el eje horizontal su velocidad permanece constante en toda la tubería. Del segundo simulador, se logro demostrar que la velocidad de salida de un fluido no dependerá de la altura del tanque sino del nivel del liquido que se encuentre adentro, pero el alcance y la velocidad final dependerá en gran medida de la altura a la que se encuentre el tanque, estos dos parámetros son directamente proporcionales a la altura del tanque, es decir, a medida que aumente la altura también aumentara su alcance y su velocidad final, y viceversa. En cuanto a la velocidad de salida del tanque, esta dependerá de la presión en el fondo y en la parte superior del nivel del líquido, además de la altura de este. El simulador resulta ser conveniente para el estudio de estos

fenómenos ya que fueron confirmados por las ecuaciones que describen la hidrodinámica, por lo que se recomienda su uso para la compresión de estos temas

APLICACIÓN PROFESIONAL DE LA PRÁCTICA REALIZADA: Presenta dos extrapolaciones del concepto abordado desde la práctica de laboratorio derivado de su aplicabilidad en su carrera.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS :

1. Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. Séptima edición, Cengage LEarning, Inc., paginas 395-397. 2. Sears-Zamansky; Hugh D. Young y Roger A. Freedman. Física universitaria. Volumen 1. Decimosegunda edición, Pearson Education, Inc., Mexico, 2009, página 463 3. Guía de laboratorio de física II, Universidad del Atlántico, 2020-I....