Laboratorio 4 Chuquitarco Jhonatan PDF

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXACTAS

GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO CÓDIGO DE LA

CARRERA

ASIGNATURA

SOFTWARE

EXCT- MVU53

ESTUDIANTE: PRÁCTICA N°

FÍSICA FUNDAMENTAL NRC: 7850

CHUQUITARCO JHONATAN DURACIÓN

LABORATORIO DE:

4

1

NOMBRE DE LA ASIGNATURA

LABORATORIO DE FÍSICA

(HORAS) TEMA:

Hidrostática y Dinámica de Fluidos

2

OBJETIVO

Objetivo General: •

Validar la ley física que gobierna La Hidrostática y Dinámica de Fluidos con ejemplos prácticos.

Objetivos Específicos: •

Analizar el comportamiento de las variables físicas como presiones, caudales y gravedad.

•

Determinar perdida de energía, tanto por fricción como localizadas en conductos cerrados.

•

Reconocer las distintas propiedades de los fluidos.

1 ÁREA DE FÍSICA

A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS Tabla 1. Equipos y Materiales

L°

EQUIPO

DESCRIPCIÓN

CANTIDAD

a.

Regla

1

b.

manómetro

c.

Tubería

Herramienta de medición que nos servirá para hacer las mediciones. Nos servirá para poder determinar la Presión en atmosferas o en Pascales. Nos servirá para transportar un Fluido.

d.

Estante

Nos servirá para poner el fluido y medirlo.

1

1 1

Gráfico 1. Laboratorio

2 ÁREA DE FÍSICA

•

MARCO TEÓRICO:

HIDROSTÁTICA La materia existe en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Los líquidos y los gases tienen propiedades comunes tales como su capacidad de fluir y de adoptar la forma de recipientes que los contiene por lo que se le denomina conjuntamente fluidos. Los líquidos son prácticamente incompresibles, por lo que podemos considerar que su volumen no se modifica. El gas, en cambio se expande y comprime con facilidad. La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que estudia los fluidos en estado de equilibrio; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes. Aunque los fluidos obedecen a las mismas leyes físicas que los sólidos, la facilidad con la que cambian de forma hace que sea conveniente estudiar pequeñas porciones en un lugar de todo el fluido. Por eso se reemplazan las magnitudes extensivas (que dependen de la cantidad de materia) por las magnitudes intensivas (que dependen de la cantidad de materia) la masa se reemplaza por la densidad y el peso se reemplazara por el peso especifico La presión (P) se relaciona con la fuerza (F) y el área o superficie (A) de la siguiente forma: P=F/A. La ecuación básica de la hidrostática es la siguiente: dP = ρgdh Siendo: P: presión ρ: densidad del fluido g: la aceleración gravitatoria de la Tierra h: altura

FUERZA Y PRESION Cuando en una situación de equilibrio la fuerza la transmite un sólido, como por ejemplo una soga, el valor de la fuerza no cambia por efecto de transmisión. Consideremos, por ejemplo, un cuerpo que cuelga de una polea y se mantienen en equilibrio utilizando una soga. La soga transmite la fuerza sin cambiar su valor: la intensidad de la fuerza que la mano hace sobre la soga es la misma que la que la soga hace sobre el cuerpo.

Un fluido es aquella sustancia que sufre una deformación continua cuando se le aplica un esfuerzo cortante 3 ÁREA DE FÍSICA

muy pequeño contrario a lo que sucede con los sólidos elásticos, los cuales al aplicárseles la acción de un esfuerzo cortante pequeño no se deforman continuamente, sino que asume una configuración determinada fija. Los fluidos son sustancias capaces de “fluir” las cuales no tienen forma definida y que se adaptan a la forma de los recipientes que los contienen. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los cambios de forma. Finalmente la palabra fluido se utiliza para referirse a líquidos y gases cuando se tratan aquellas propiedades que son comunes a ambos. La densidad de cualquier material se define como la cantidad de masa de ese material por unidad de volumen. En el caso en el que el material sea homogéneo, esto es que la distribución de masa sea igual en todas partes del material, la densidad del mismo se define como m

Σ

. m3

ρ=

V

kg

donde m es la masa del objeto y V es el volumen del mismo. La densidad es una propiedad intrínseca de un material esto quiere decir que no depende del tamaño del material, o sea dos objetos del mismo material pero diferente tamaño posee la misma densidad. Es una propiedad que depende del de la temperatura y el estado físico en el cual se encuentre el material.

La densidad relativa es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. Ambas densidades se expresan en las mismas unidades y en iguales condiciones de temperatura y presión. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades.

4 ÁREA DE FÍSICA

Las fuerzas que ejerce un fluido sobre el medio que lo rodea vienen caracterizadas por una sola magnitud, la presión en el fluido, la cual se define ˙ como la cantidad de fuerza perpendicular aplicada sobre una superficie, esto es: F⊥ A

las aplicaciones mas comunes del principio de Pascal están: los sistemas de frenos hidráulicos de los automóviles, • elevado res y gatos hidráulicos ˙F • las puertas de los autobuses tienen un sistema hidráulico que sirve para abrir o cerrar las puertas, • los compactadores de basura cuentan con unsistema hidráulico, • en construcción las palas mecánicas cuentan con una prensa hidráulica que las ayuda a excavar.

Primera propiedad de los fluidos Un fluido en reposo no puede ejercer una fuerza paralela sobre una superficie. Segunda propiedad de los fluidos En ausencia de la gravedad, es decir, despreciando el peso del propio fluido, la presión en un fluido en reposo es la misma en todas partes. El manómetro es un instrumento que sirve para determinar la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Consiste en un tubo en forma de U lleno parcialmente con un líquido, generalmente mercurio o agua. El tubo se monta en posición vertical con una regla graduada detrás de él. Un extremo del tubo se conecta al vaso cuya presión se desea medir y el otro extremo se deja abierto a la atmósfera.

5 ÁREA DE FÍSICA

Fluido A

2

ACTIVIDADES A DESARROLLAR

Utilizando el laboratorio virtual compartido y establecido en clases, realizar las siguientes actividades.

3

• •

Calcular la densidad la gravedad y la Presión. Para cada ensayo utilizar datos de entrada diferentes.

•

Calcular los errores sobre el 100%.

•

En el marco teórico agregar las ecuaciones que se utilizaran para el laboratorio.

•

Realizar la capturas de los diferentes laboratorios realizados.

•

Sacar conclusiones y recomendaciones. RESULTADOS OBTENIDOS

TABLA DE DATOS Tabla 2. Datos dimensionales de la práctica.

Parámetro Físico altura Presión Tiempo Masa Longitud

Dimensión

Símbolo

Unidades

𝑇 𝑀 L

h P 𝑡 𝑚 L

𝑚 𝑃𝑎

𝑠

𝑘𝑔 M

ENSAYO 1. 6 ÁREA DE FÍSICA

𝒌𝒈

Datos de entrada: 177 KPa, 739 𝒎𝟑 , 𝟏𝟓. 𝟎 𝒎/𝒔𝟐 Tabla 4. Resultados pedidos

P(Pa)

h(m)

𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓

17700Pa

15.96m

2.00 %

CÁLCULOS 𝑃 = 177 𝐾𝑃𝑎 ∗

ℎ= ℎ=

1000𝑃𝑎 = 177000𝑃𝑎 1𝐾𝑃𝑎

𝑃 𝜌∗𝑔 177000𝑃𝑎

739𝑘𝑔 𝑚3

∗ 15.0 𝑚/𝑠 2

ℎ = 15.96 𝑚 Cálculo del error h=h Teórico (m)=15.96 m he=hExpe(m)=16.0m

Error=( Error=(

ℎ−ℎ𝑒 ℎ

) ∗ 100%

16.0−15.96 15.96

) ∗ 100%

Error=2.00% GRAFICO

7 ÁREA DE FÍSICA

ENSAYO 2. 𝒌𝒈

Datos de entrada: 86.6 KPa, 900 𝒎𝟑 , 𝟖. 𝟎𝒎/𝒔𝟐 Tabla 4. Resultados pedidos

P(Pa)

h(m)

𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓

86600Pa

12.02m

2.23 %

CÁLCULOS 𝑃 = 86.6 𝐾𝑃𝑎 ∗

ℎ= ℎ=

1000𝑃𝑎 = 86600𝑃𝑎 1𝐾𝑃𝑎

𝑃 𝜌∗𝑔 86600𝑃𝑎

900𝑘𝑔 𝑚3

∗ 8.0 𝑚/𝑠 2

ℎ = 12.02 𝑚 Cálculo del error h=h Teórico (m)=12.02 m he=hExpe(m)=12.09m

8 ÁREA DE FÍSICA

Error=( Error=(

ℎ−ℎ𝑒 ℎ

) ∗ 100%

12.09−12.02 12.02

) ∗ 100%

Error=2.23% GRAFICO

ENSAYO 3. 𝒌𝒈

Datos de entrada: 12.2 KPa, 1420 𝒎𝟑 , 𝟏. 𝟎𝒎/𝒔𝟐 Tabla 4. Resultados pedidos

P(Pa)

h(m)

𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓

12200Pa

8.59m

1.96 %

CÁLCULOS 𝑃 = 12.2 𝐾𝑃𝑎 ∗

ℎ=

1000𝑃𝑎 = 12200𝑃𝑎 1𝐾𝑃𝑎

𝑃 𝜌∗𝑔

9 ÁREA DE FÍSICA

ℎ=

12200𝑃𝑎

1420𝑘𝑔 𝑚3

∗ 1.0 𝑚/𝑠 2

ℎ = 8.59 𝑚 Cálculo del error h=h Teórico (m)=8.59 m he=hExpe(m)=8.65m

Error=( Error=(

ℎ−ℎ𝑒 ℎ

) ∗ 100%

8.65−8.59 8.59

) ∗ 100%

Error=1.96% GRAFICO

ENSAYO 4. 𝒌𝒈

Datos de entrada: 121.5 KPa, 700 𝒎𝟑 , 𝟗. 𝟖

𝒎

𝒔𝟐

, 𝒉𝟏 = 𝟐. 𝟓𝒎, 𝒉𝟐 = 𝟏. 𝟎𝟎 𝒎

Tabla 4. Resultados pedidos

P(Pa)

h(m)

𝑷𝟐

121500Pa

17.7m

145200Pa

CÁLCULOS 𝑃 = 121.5 𝐾𝑃𝑎 ∗

1000𝑃𝑎 1𝐾𝑃𝑎

= 121500𝑃𝑎 10

ÁREA DE FÍSICA

ℎ= ℎ=

𝑃 𝜌∗𝑔 121500𝑃𝑎

700𝑘𝑔 𝑚3

∗ 9.8 𝑚/𝑠 2

ℎ = 17.7 𝑚 Benoulli 1 1 𝑃1 + 𝜌𝑉12 + 𝜌𝑔ℎ1 = 𝑃2 + 𝜌𝑉22 + 𝜌𝑔ℎ2 2 2 1

𝜌𝑉12 + 𝜌𝑔ℎ1 = 𝜌𝑉22 + 𝜌𝑔ℎ2

1

(700

2 2

1

2

𝑘𝑔

𝑚3

𝑘𝑔

) (0.3)12 + (700 𝑚3 ) (9.8 𝑘𝑔

(700 𝑚3 ) (9.8

𝑚

𝑚

𝑠2

) (1.0𝑚)2 𝑠2

) (2.5𝑚)1

= 𝑃2

𝑃2 = 145200 𝑃𝑎 𝑉1 = 0.3 𝑚/𝑠 GRAFICO

11 ÁREA DE FÍSICA

ENSAYO 4. 𝒌𝒈

Datos de entrada: 100.9 KPa, 1420 𝒎𝟑 , 𝟗. 𝟖

𝒎

𝒔𝟐

, 𝒓𝟏 = 𝟓. 𝟑𝟎𝒎, 𝒓𝟐 = 𝟏. 𝟎𝟎 𝒎

Tabla 4. Resultados pedidos

P(Pa) 10622Pa

r/r1

𝑷𝟐

5.30/1.00m 145200Pa

CÁLCULOS 𝑃 = 100.9 𝐾𝑃𝑎 ∗

ℎ= ℎ=

1000𝑃𝑎 = 100900𝑃𝑎 1𝐾𝑃𝑎

𝑃 𝜌∗𝑔 100900𝑃𝑎

1420𝑘𝑔 𝑚3

∗ 9.8 𝑚/𝑠 2

ℎ = 72.5 𝑚 Benoulli 1 1 𝑃1 + 𝜌𝑉12 + 𝜌𝑔ℎ1 = 𝑃2 + 𝜌𝑉22 + 𝜌𝑔ℎ2 2 2 1 𝜌𝑉12 2 1 2

1

+ 𝜌𝑔ℎ1 = 𝜌𝑉22 + 𝜌𝑔ℎ2 2

(1420

𝑘𝑔

𝑚3

𝑘𝑔

) (12.1)12 + (1420 𝑚3 ) (9.8 𝑘𝑔

(1420 𝑚3 ) (9.8

𝑚

𝑠2

𝑚 ) (1.0𝑚)2 𝑠2

) (5.30𝑚)1

= 𝑃2

𝑃2 = 10622 𝑃𝑎 𝑉1 = 12.1 𝑚/𝑠 GRAFICO

12 ÁREA DE FÍSICA

CUESTIONARIO: 1._Explique que estudia la hidrostática. Estudia los líquidos en reposo. 2._Utilize ejemplos de su entorno para que explique, que se entiende por fluido. El termino se aplica a líquidos y gases; el agua de nuestras casas, los tanques de gas. 3._Explique por medio de ejemplos de su vida cotidiana las siguientes características de los fluidos; viscosidad, tención superficial, cohesión, adherencia y capilaridad. -Viscosidad: Medida de la resistencia que opone un líquido fluir. Ejemplo; un plato con un orificio y hacerle fluir un liquido como el alcohol o leche. -Tensión Superficial: La superficie de un líquido se comporta como una membrana elástica. -Cohesión: Fuerza que mantiene unida las moléculas de una misma sustancia. 4._Explique con un ejemplo la paradoja hidrostática de Steven. Señala que la presión ejercida por un líquido dentro de un recipiente, no depende de la forma de este, si no del peso especifico y de la altura que ha del punto considerado a la superficie. Ejemplo: una alberca con un m de profundidad tiene la misma presión que un barril con agua. 5._ ¿Que ocasiona la presión atmosférica? Debido al peso de la atmosfera, ejerce una presión al peso de los cuerpos lo cual da una presión atmosférica. A 13 ÁREA DE FÍSICA

medida de que es mayor la altura, la presión atmosférica es menor. 6._Define presión manométrica y absoluta. Manométrica: Presión diferente a la atmosférica. Es igual a la diferencia de presión atmosférica y la absoluta. Absoluta: Es la suma de las presiones manométricas y atmosférica. CONCLUSIONES: •

La presión hidrostática es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contienen y cualquier cuerpo que se encuentra sumergido

•

Al realizar el experimento de presión hidrostática, logramos observar que cada vez que aumentamos la profundidad esta hace que afecte la presión aumentándola de forma creciente tal como aparece en la gráfica.

RECOMENDACIONES: •

Se recomienda tener conocimientos previos de cálculos de las fórmulas y teorías estudiadas.

•

Generar cálculos de errores para visualizar la teoría de la practica y de esta forma verificar de mejor manera el ensayo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

•

https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10192/Hidrostatica%201.pdf?sequence=1&isAllowed= y#:~:text=La%20hidrost%C3%A1tica%20o%20la%20est%C3%A1tica,de%20los%20fluidos%20en%20movimiento.

•

https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/fluid-pressure-and-flow/latest/fluid-pressure-andflow.html?simulation=fluid-pressure-and-flow&locale=es

Ing. Carlos Torres L. DOCENTE

Sr. Chuquitarco Jhonatan ESTUDIANTE

14 ÁREA DE FÍSICA

15 ÁREA DE FÍSICA

16 ÁREA DE FÍSICA...