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LABORATORIO N° 1: VISCOSIDADMECÁNICA DE FLUIDOSLaboratorio de Mecánica de Fluidos yTurbomáquinasINFORME DE LABORATORIO DEL GRUPO N° 5FACULTAD : INGENIERIAASIGNATURA : MECÁNICA DE FLUIDOSDOCENTE : Msc.Ing Castillo AlvarezPRESENTADO POR :- Medina Orihuela, Khristhell Kimberly U 18210923- Mendez Amesqu...

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LABORATORIO N° 1: VISCOSIDAD

MECÁNICA DE FLUIDOS Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Turbomáquinas INFORME DE LABORATORIO DEL GRUPO N° 5

FACULTAD

:

ASIGNATURA

:

MECÁNICA DE FLUIDOS

DOCENTE

:

Msc.Ing.Yoisdel Castillo Alvarez

PRESENTADO POR

:

INGENIERIA

- Medina Orihuela, Khristhell Kimberly

U18210923

- Mendez Amesquita, Percy Alexander

U17100819

- Niño Rojas, Keyli Lissette

1636415

- Templadera Quispe, Jhonatan Yohs

U19219294

- Vilca campos Tommy, Honter

U18300630

2021 – 1 VISCOSIDAD: MECÁNICA DE FLUIDOS

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INDICE 1.-INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………3

2.-OBJETIVOS………………………………………………………………………………....3

3.-MATERIALES………………………………………………………………………………..4

4.-FUNDAMENTOS TEORICOS…………………………………………………………..…5

5.- PROCEDIMIENTOS………...…………………….……………………………..….……10

6.- DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS……………………….. ......………………...12

7.- ANALISIS DE RESULTADOS Y/O ANALISIS DE GRAFICAS………………....…...18

8.- APLICACIONES…………………………………………………... ……………….…….18

9.- OBSERVACIONES ……………………………………………………………………....20

10.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ……………………………...………...20

11.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y/O WEB………………………………………22

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1.- INTRODUCCIÓN En el presente informe del primer laboratorio de mecánica de fluidos tratara acerca de una de las propiedades físicas de un fluido: la viscosidad. Como se sabe el fluido es una sustancia que se deforma continuamente por la acción de una tensión cortante, sin importar el tamaño que sea. Existen dos tipos de fluidos: “LOS NEWTONIANOS y LOS NO NEWTONIANOS”, para esta oportunidad en la práctica de laboratorio se trabajará con el agua, es decir con LOS NEWTONIANOS. Este tipo de fluidos tiene una viscosidad constante en el tiempo, a diferencia de los NO NEWTONIANOS que no posee viscosidad definida y no es constante en el tiempo. La viscosidad es una propiedad que tienen los fluidos de ofrecer la resistencia al movimiento relativo de sus moléculas, es decir muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la acción de la fuerza. Asimismo, cuanta más resistencia oponen los líquidos al fluir, más viscosidad poseen.

2.- OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Determinar por medio de una guía de laboratorio y mediante cálculos realizados la viscosidad de un fluido (Agua). OBJETIVOS ESPECIFICOS  Calcular parámetros utilizando los datos obtenidos por medio de ecuaciones.  Trabajar de manera conjunta y organizada para obtener una mayor precisión en la toma de datos.

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3.- MATERIALES

Fig-2. Esfera de nylon 3mm

Fig-3. cronómetro

Fig-1. Viscosímetro H410

Fig-5. Vernier

Fig-4. Flexómetro

Fig-6. Agua

Fig-7. Termómetro

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4.- FUNDAMENTOS TEORICOS  Velocidad corregida: Como se mostró anteriormente, Stokes y otra teoría del flujo viscoso se aplica a esferas pequeñas en volúmenes comparativamente grandes de líquido. Los libros de texto indican que el diámetro del recipiente contenedor debe ser 100 veces mayor que el de la esfera que cae, lo que no sería práctico para la mayoría de las pruebas. Esta proporción debería permitir que el fluido se expanda libremente alrededor del objeto que cae. Sin embargo, en un tubo de vidrio, el fluido no puede expandirse libremente tan bien como se desearía, éste se encuentra restringido ligeramente por el diámetro interno del tubo, esto 'artificialmente' reduce la velocidad. Para corregir este problema, se puede multiplicar la velocidad media de los experimentos por un factor de corrección que incluya el diámetro de la esfera y las dimensiones del tubo. Esto le dará el valor corregido para la velocidad (𝑉𝑐𝑜𝑟𝑟) y un valor más preciso para 𝑉𝑡.

Donde: Ds = diámetro de la esfera Dp = diámetro interior de la tubería L= distancia de caída, medida entre las tuberías

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 ecuaciones de Stoke’s La ecuación de Stokes sólo funciona con precisión bajo ciertos supuestos y condiciones: -

La esfera es rígida.

-

La esfera es pequeña en comparación con el volumen de líquido que pasa a través del fluido que atraviesa.

-

No hay deslizamiento entre la esfera y el fluido.

-

Las fuerzas inerciales en las partículas de fluidos son muy pequeñas en comparación con las fuerzas viscosas.

-

Número de Reynolds: Muy bajo (menos de 0,1).

Donde: g = aceleración de la gravedad Ds = diámetro de la esfera ρs = densidad de las esferas ρf = densidad del fluido Si se cumple la comprobación de Stokes se aplican las siguiente formulas:  Viscosidad: Este valor se denomina a menudo viscosidad simple. Es la medida básica de la viscosidad en 𝑃𝑎∙𝑠 (Pascales por segundo). Esta se entiende como la relación de la gradiente de la velocidad de movimiento de las partículas y el esfuerzo cortante. Esta además depende de la temperatura a mayor temperatura menor viscosidad.

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 Fuerza de arrastre: Esta es una cantidad adimensional que representa el arrastre en las formas de una determinada área frontal en el que se mueve un determinado fluido. Al igual que el valor de la fuerza de arrastre, un coeficiente de arrastre más bajo indica que la forma se mueve a través del fluido con mayor facilidad que si tuviera un coeficiente de arrastre alto. Sin embargo, la fuerza de arrastre es única para una combinación dada de esfera y fluido, mientras que el coeficiente de arrastre ayuda a comparar el arrastre entre diferentes formas de un área frontal dada. Cuanto más suave o más estilizada sea la forma, menor será su coeficiente de arrastre. La figura 2 muestra una comparación de coeficientes de arrastre para diferentes formas de la misma área frontal que se mueve a través de un determinado fluido.

Si no se cumple la comprobación de Stokes; se utilizará las ecuaciones de Oseens:  ecuaciones de Stoke’s Estas se utilizan en lugar de las ecuaciones de Stokes para una mayor precisión cuando el número de Reynolds está entre 0,2 y 5. Para el aparato H410, se puede utilizar la ecuación 10 con la velocidad calculada (después de la corrección) para confirmar si es factible utilizar las ecuaciones de Oseens, con el fin de encontrar la viscosidad, el arrastre, el número de Reynolds y el coeficiente de arrastre.

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 Viscosidad:

 Fuerza de arrastre:

 Número de Reynolds: Es un numero adimensional que caracteriza el movimiento de un fluido. Este concepto fue introducido por George Gabriel Stokes en 1851, pero fue nombrado por Osborne Reynolds quien lo hizo más conocido en 1883. Este término expresa la relación entre las fuerzas inerciales y las viscosas que presenta un fluido, relacionando densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo. El flujo se denomina laminar cuando presenta un número de Reynolds pequeño o turbulento cuando presenta un número de Reynolds grande.

Donde: Re = Número de Reynolds d = Diámetro interior de la tubería μ = Viscosidad absoluta ρ = Densidad V = Velocidad del flujo

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 Coeficiente de arrastre: Esta es una cantidad adimensional que representa el arrastre en las formas de una determinada área frontal en el que se mueve un determinado fluido. Al igual que el valor de la fuerza de arrastre, un coeficiente de arrastre más bajo indica que la forma se mueve a través del fluido con mayor facilidad que si tuviera un coeficiente de arrastre alto. Sin embargo, la fuerza de arrastre es única para una combinación dada de esfera y fluido, mientras que el coeficiente de arrastre ayuda a comparar el arrastre entre diferentes formas de un área frontal dada. Cuanto más suave o más estilizada sea la forma, menor será su coeficiente de arrastre. El uso del número de Reynolds para cualquier combinación dada de esfera y fluido ayuda a simplificar el cálculo del coeficiente de arrastre, como se muestra en la Tabla 2.

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5.- PROCEDIMIENTO 1. Crear una tabla como esta en la guía para el ensayo de la viscosidad para este caso se hizo del Agua.

2. Conecte la fuente de alimentación para encender la pantalla luminosa. 3. Utilizar la esfera más adecuada para el fluido, con el fin de obtener mejores resultados. El material usado es una esfera de nylon de 3 mm. 4. Tener en cuenta la temperatura ambiente en su ubicación y la densidad de su fluido para esta temperatura. 5. Para este laboratorio se realizó 5 ensayos de la esfera de prueba para ayudar a encontrar una buena velocidad promedio y medir con precisión el diámetro de las esferas. 6. Establezca los anillos marcadores para una altura de caída adecuada, por ejemplo, 01 metro.

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7. Asegúrese de que cada esfera esté perfectamente limpia. Use un líquido de limpieza adecuado si es necesario, pero tenga cuidado de obedecer las instrucciones del fabricante y las advertencias de seguridad. 8. Usando guantes si es necesario, coloque las esferas de prueba en una pequeña cantidad del líquido de prueba, tal vez usando la bandeja de recolección. Asegúrese de que estén recubiertos por todas partes, esto es para evitar la formación de burbujas de aire en su superficie.

9. Sostenga la esfera de prueba directamente sobre el centro del tubo lo más cerca posible de la superficie del fluido. Esto ayuda a evitar que la esfera golpee la pared interior del tubo y afecte sus resultados y reduzca la aceleración de caída libre en el aire antes de que la esfera golpee el fluido. 10. Preparar el cronómetro y soltar suavemente la esfera, teniendo cuidado de no permitir que gire. Iniciar el conteo cuando la esfera pasa el primer anillo del marcador, y luego parar el cronómetro cuando pase por el segundo anillo marcador.

11. Repetir cinco veces el mismo ensayo, para luego encontrar su tiempo promedio y, por lo tanto, una velocidad promedio.

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6.- DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS a) Completar la tabla 3 con todos los datos experimentales de los tiempos y los datos de velocidad calculada por cada tiempo ENSAYO DE LA ESFERA ENSAYO DEL FLUIDO Mataerial: Nylon Descripcion: Agua Diametro Ds: 3mm Temperatura: 19° c Densidad Ps: 1150 kg/m3 Densidad Pf: 998.2kg/m3 Distancia de arrastre l:

1m

Tiempo de Ensayo 1 2 3 4 5 Promedios:

Velocidad

arrastre (s)

𝑠

0.092 0.088 0.09 0.087 0.089 0.089

10.91 11.38 11.15 11.44 11.29 11.23

a.1) CORRECCIÓN DE VELOCIDAD (Vcorr)

a.2) COMPROBACIÓN POR STOCKES

¡No cumple!

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Al no cumplir con la condición de las ecuaciones de stockes, para este ensayo se utilizará las ecuaciones de Oseen´s. a.3) COMPROBACION POR OSEENS

b) La viscosidad cinética del fluido  Viscosidad (𝝁)

c) La fuerza de arrastre  Fuerza de arrastre (Fd)

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d) El número de Reynolds  Número de Reynolds (Re)

e) El coeficiente de arrastre  Coeficiente de arrastre (Cd)

f) El error encontrado con respecto a la viscosidad teórica Para hallar el porcentaje de error se va a necesitar obtener los siguientes datos de la siguiente tabla para tener la viscosidad del agua teórica y para ello debemos conocer la temperatura del líquido que estamos usando para este ensayo.

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g) ¿Cuándo se utiliza las ecuaciones de Stokes para determinar la viscosidad de un fluido? Se utilizan en las siguientes situaciones:  Las ecuaciones de Stockes se utiliza cuando la velocidad corregida o la velocidad terminal es menor a la densidad y/o al diámetro de la esfera.  La esfera es rígida.  No hay deslizamiento entre la esfera y el fluido.  Número de Reynolds: Muy bajo (menos de 0,1). h) ¿Cuándo se utiliza las ecuaciones de Oseen para determinar la viscosidad de un fluido? Se utiliza en las siguientes situaciones:  Las ecuaciones de Oseen se utiliza cuando la velocidad corregida o la velocidad terminal es mayor a la densidad y/o al diámetro de la esfera.  El número de Reynolds está entre 0.2 y 5

i) El intervalo en dónde la viscosidad experimental se acerca a la viscosidad teórica El intervalo en donde la viscosidad experimental sea acerca a la viscosidad teórica es:

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j) Graficar la velocidad corregida en función al tiempo para cada uno de los datos de la tabla 3 Para hallar la velocidad corregida en cada uno de los ensayos se aplicará la siguiente formula.  Velocidad corregida (𝑽𝒄𝒐𝒓𝒓)

Tiempo en función de la Velocidad de corrección = 0.1005m. s^(-1)

A continuación, con los datos obtenidos se realizará la siguiente gráfica:

Tiempo - velocidad 11,5

11,44 11,38

11,4 11,29

Tiempo

11,3 11,15

11,2 11,1 11

10,91 10,9 10,8 0,097

0,098

0,099

0,1

0,101

0,102

0,103

0,104

Velocidad corregida

Interpretación: La velocidad corregida es inversamente proporcional al tiempo.

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k) Graficar la velocidad observada en función del tiempo para cada uno de los datos de la tabla 3 Con los datos obtenidos anteriormente, se realizará la siguiente gráfica:

Tiempo - velocidad 11,5

11,44 11,38

11,4 11,29

Tiempo

11,3 11,15

11,2 11,1 11

10,91 10,9 10,8 0,086

0,087

0,088

0,089

0,09

0,091

0,092

0,093

Velocidad observada

Interpretación: “A mayor velocidad menor tiempo” Visualizamos en la gráfica que a mayor velocidad vaya la esfera de nylon en el tubo de ensayo menos será el tiempo en caer a la parte inferior del tubo de ensayo.

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7.- ANALISIS DE RESULTADOS Y/O ANALISIS DE GRAFICAS Con los datos obtenidos de las cinco pruebas del video del laboratorio y haciendo la operación de la velocidad obtuvimos los puntos para elaborar las gráficas solicitadas. Por otro lado, al hallar el valor de la velocidad corregida nos permite saber si las ecuaciones de Stoke’s se aplican o no. En este caso, el valor de la velocidad corregida es 0.1005

𝑠⁄

indicando de

esta manera ser mayor a la velocidad terminal de la Ley de Stoke’s (valor = 0.00705

𝑠⁄

) por lo tanto se utilizaron las ecuaciones de Oseen´s para

obtener los resultados de viscosidad, fuerza de arrastre, número de Reynolds y coeficiente de arrastre.

8.- APLICACIONES La viscosidad es una propiedad de los fluidos que es de gran importancia en múltiples procesos industriales, además de ser una variable de gran influencia en las mediciones de flujo de fluidos, el valor de viscosidad se usa como punto de referencia en la formulación de nuevos productos, facilitando la reproducción de la consistencia de un lote a otro. Se puede aplicar en diferentes ámbitos de estudios, como:     

En industria de los aceites La petroquímica En alimentos En farmacéutica En las pinturas

En la ingeniería civil En el campo de nuestra especialidad consideramos que la viscosidad es importante para el diseño y desarrollo de las estructuras; otorgando así calidad y seguridad a los distintos proyectos que se realizarán a futuros. A continuación, se presentará algunas situaciones en la ingeniería:

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

Diseño de puentes: Para conocer el comportamiento que esta tendrá ante las acciones del rio.



Concreto: Para la manejabilidad del concreto ante ciertas temperaturas es necesario conocer la viscosidad, ya que con esto se sabrá su resistencia a través del calor de hidratación con el transcurso del tiempo.

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9.- OBSERVACIONES 

El objetivo de demostrar de forma visual la viscosidad, simultáneamente en dos fluidos diferentes, no se podrá concretar en esta ocasión ya que este ensayo no se llevó de forma presencial.



La variación de error relativo del agua es muy elevada, por lo que debe manejarse la idea que si la velocidad de la esfera interfirió en el procedimiento.



La velocidad corregida se debe por la influencia de la superficie interna del tubo que retrasa a la esfera y no permite una buena medición indirecta de velocidad.



El valor de la gravedad (g) usado ha sido 9.81 m/s2 por recomendación de la guía de laboratorio.

10.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES: 

A través de libros y fuentes investigativos, se puede decir que a mayor temperatura el valor de la viscosidad va disminuyendo.



Ante el enorme error de la viscosidad hallado se puede decir que una mejor experiencia y con la mejor lectura de datos en laboratorio se hubiera minimizado el porcentaje de error en la viscosidad.



La viscosidad interviene a la hora de ejercer una fuerza de arrastre en los cuerpos sumergidos; en esta oportunidad se hizo el ensayo con una esfera de nylon. La 𝜇 y Fd cumplen una relación directamente proporcional.



El material liviano es bueno para medir 𝜇 agua, pe ro más liviano hubiera dejado de considerarse como buen material por acercarse más al Re de 100 límite para la experiencia.



La viscosidad del agua no se puede medir correctamente sin tomar más detalle a las condiciones de caída por el elevado error.

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RECOMENDACIONES: 

De acuerdo al video provisto por la universidad, se deben tomar los tiempos de manera exacta cuando el sólido fluye a través del líquido que se estudia; cuando va desde un punto inicial hasta un punto final. 



La colaboración de cada miembro del equipo será crucial para el desarrollo del informe.



Cada miembro del equipo deberá prestar atención al video para que de esta manera realizar los cálculos correspondientes y hacer el respectivo análisis.



La experiencia debe desarrollarse con una velocidad constante de la esfera de nylon para ello se mide los tiempos de aquellas instancias que resulten en un viaje sin choques en el tubo.



Se debe tratar de mantener la temperatura constante de las sustancias que intervienen en este ensayo, para obtener un dato más preciso y encontrar satisfactoriamente las viscosidades que requerimos.



Caso contrario, se considera necesario medir la temperatura del agua cada vez que se realiza la actividad. Porque se considera más susceptible el agua a cambio de temperatura en el ambiente.



Se recomienda realizar más intentos ...