Mecánica de los Fluidos e Hidraulica (Schaum) Ronald V. Giles 2ed PDF

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Y PROBLE]I,|AS

NI

F

DOS

E HIDRAULICA

PROBTE]I|AS RESIJEI.TOS

www.elsolucionario.net

TEORIA

/

www.elsolucionario.net

t,vr¡,o,RTADOR

¡,'

oaí

4e4/?ü

SERIE DE COMPENDIOS SCHAUM

TEORIA Y PROBLEMAS

SEGUNDA EDICION

RANALD V. GILES, B. S., M. S. en C. Professor of Ciuil Engineering Drexel Institute of Technology

TRADUCCION J¡.rrr.r¿

Y

ADAPTACION

MoNnve MoNnvl

Ingeniero de Armamento y Material Licencíado en Ciencias Profesor de Ia Escuela Politécnica Superior, Madrid

o

LIBROS McGRAW-HILL PANAMA MEXICO

NEW YORK

LONDON TORONTO SYDNEY JOHANNESBURG

E.

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MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRAULICA

Derecho de propiedad Registrado en 1969 @ por McGraw-Hill, Todos los Derechos Reservados. Impreso en Colombia.

Queda terminantemente prohibido reproducir este libro total o parcialmente sin permiso expreso de los editores.

9r575

IMPRESO EN COLOMBIA PRINTED IN COLOMBIA

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Este libro ha sido concebido con el principal propósito de complementar los textos ordinarios de mecánica de los fluidos e hidráulica. Se basa en la convicción del autor de que el esclarecimiento y comprensión de los principios fundamentales de cualquier rama de la mecánica se obtienen mejor mediante numerosos ejercicios ilustrativos. La anterior edición de este libro ha sido acogida muy favorablemente. En esta segunda edición, muchos de los capítulos han sido revisados y adicionados con objeto de poner al día determinados temas de acuerdo con los más recientes conceptos, métodos y terminología. Se ha dedicado especial atención al análisis dimensional recogiendo los nuevos materiales en el Capítulo 5. La revisión más extensa se ha llevado a cabo en los capítulos que tratan los fundamentos del flujo de fluidos, flujo de fluidos en tuberías y flujo en canales abiertos. La materia se divide en capítulos que abarcan áreas bien definidas de teoria y estudio. Cada capítulo se inicia con el establecimiento de las definiciones pertinentes, principios y teoremas, junto con el material ilustrativo y descriptivo al que sigue una serie de problemas resueltos y problemas propuestos. Los problemas resueltos ilustran y amplían la teoría, presentan métodos de análisis, proporcionan ejemplos prácticos e iluminan con aguda perspectiva aquellos aspectos de detalle que capacitan al estudiante para aplicar los principios fundamentales con corrección y seguridad. El análisis del cuerpo libre, los diagramas vectoriales, los principios de trabajo y energía de la cantidad de movimiento y las leyes de Newton se utilizan a lo largo de todo el libro. No se ha regateado esfuerzo para presentar problemas originales desarrollados por el autor en los largos años dedicados a la enseñanza de esta materia. Entre los problemas resueltos se incluyen numerosas demostraciones de teoremas y deducciones de fórmulas. El elevado número de problemas propuestos asegura un repaso completo del material de cada capítulo. Los alumnos de las Escuelas de Ingeniería reconocerán la utilidad de este libro al estudiar la mecánica de los fluidos y, adicionalmente, aprovecharán la ventaja de su posterior empleo como libro de referencia en su práctica profesional. Encontrarán soluciones muy detalladas de numerosos problemas prácticos y, cuando lo necesiten, podrán recurrir siempre al resumen de la teoría. Asimismo, el libro puede servir al ingeniero profesional que ha de recordar esta materia cuando es miembro de un tribunal examinador o por cualesquiera otras razones. Deseo expresar mi agradecimiento a mi colega Robert C. Stiefel, que ha comprobado cuidadosamente la solución de muchos de los nuevos problemas. También he de expresar mi gratitud a la redacción de la Schaum Publishing Company y, muy particularmente, a Henry Hayden y Nicola Miracapillo, por sus inestimables sugerencias e inapreciable cooperación.

RANALD V. GILES Philadelphia,

Junio

1962

Pa.

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Prólogo

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Tabla de materias Páginas

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. . .

'

La mecánica de los fluidos y la hidráulica. Definición de fluido. Sistema técnico de unidades. Peso específico. Densidad de un cuerpo. Densidad relativa de un cuerpo. Viscosidad de un fluido. Presión de vapor. Tensión superficial. Capilaridad. Presión de un fluido. La presión. Dilerencia de presiones. Variaciones de la presión en un fluido compresible. Altura o carga de presión á. Módulo volumétrico de elasticidad (E). Compresión de los gases. Para condiciones isotérmicas. Para condiciones adiabáticas baciones en la presión.

2

1

o isoentrópicas. Pertur-

",,,

FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES Introducción. Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana. Tensión circunferencial o tangencial. Tensión longitudinal en cilindros de pared delgada.

3

EMPUJE Y FLOTACION Principio de Arquímedes. Estabilidad de cuerpos sumergidos

4

36

y

flotantes

TRASLACION Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS. Introducción. Movimiento horizontal. Movimiento vertical. Rotación

42 de

masas fluidas. Recipientes abiertos. Rotación de masas fluidas. Recipientes cerrados.

Capítulo

J

ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA.

50

Introducción. Análisis dimensional. Modelos hidráulicos. Semejanza geométrica. Semejanza ci¡emática. Semejanza dinámica. La relación entre las fuerzas de inercia. Relación de las fuerzas de inercia a las de presión. Relación de las fuerzas de inercia a las viscosas. Relación de las fuerzas de inercia a las gravitatorias. Relación de las fuerzas de inercia a las elásticas. Relación de

las fuerzas de inercia a la de tensión suoerficial. Relación de tiemoos.

6

FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS Introducción. Flujo de fluidos. Flujo permanente. Flujo uniforme. Líneas de corriente. Tubos de corriente. Ecuación de continuidad. Red de corriente. Ecuación de la energía. Altura de velocidad. Aplicación del teorema de Bernoulli. Línea de energías o de alturas totales. Línea de alturas piezométricas. Potencia.

70

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Capitulo

www.elsolucionario.net TABLA DE MATERIAS Páginas

FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS

Capitulo

96

Introducción. Flujo laminar. Velocidad crítica. Número de Reynolds. Flujo turbulento. Tensión cortante en Ia pared de una tubería. Distribución de velocidades. Pérdida de carga en flujo laminar. Fórmula de Darcy-Weisbach. Coeficiente de fricción. Otras pérdidas de carga.

Capíhrlo 8

SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS

rl5

Sistemas de tuberías. Sistemas de tuberías equivalentes. Sistemas de tuberías compuestas o en serie, en paralelo y ramificadas. Métodos de resolución.

Capíhrlo

9

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Fórmula de Hazen-Williams.

MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS. Introducción. Tubo de Pitot. Coeficiente de descarga. Coeficiente de velocidad. Coeficiente de contracción. Pérdida de carga. Vertederos de aforo. Fórmula teórica de un vertedero. Fórmula de Francis. Fórmula de Banzin. Fórmula de Fteley y Stearns. Fórmula del vertedero triangular. La fórmula del vertedero trapezoidal. Para presas empleadas como vertederos. El tiempo de vaciado de depósitos. El tiempo para establecer el flujo.

Capíhrlo

I0

FLUJO EN CANALES ABIERTOS Canal abierto. Flujo uniforme y permanente. Flujo no uniforme. Flujo lamrnar. La fórmula de Chezy. El coeficiente C. El caudal Q. La pérdida de carga. Distribución vertical de la velocidad. Energía específica. Profundidad crítica. Caudal unitario máximo. En canales no rectangulares y para un flujo crítico. Flujo no uniforme. Los vertederos de aforo de pared gruesa. Resalto hidráulico.

Capítulo 11

FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO Introducción. El principio de impulso-cantidad de movimiento. El coeficiente de corrección de la cantidad de movimiento. Resistencia. Sustentación. Resrs-

tencia total. Coeficientes de resistencia. Coeficientes de sustentación. Número de Mach. Teoria db la capa limite. Placas planas. Golpe de ariete. Veloci-

dades supersónicas.

Capítulo

12

MAQUINARIA HIDRAULICA Maquinaria hidráulica. En el caso de rodetes. Ruedas hidráulicas, bombas y soplantes, Velocidad específica. Rendimiento. Cavitación. Propulsión por hélices. Los coeficientes de la hélice.

225

www.elsolucionario.net TABLA DE MATERIAS

APENDICES

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Propiedades aproximadas de algunos gases.. Densidad relativa y viscosidad cinemática de algunos líquidos Coeficiente de fricción f para agua solamente. . . . . Pérdidas de carga en accesorios Valores de K*. Contracciones y ensanchamientos.. Algunos valores del coeficiente C, de Hazen-Williams. Coeficientes de desagüe para orificios circulares de arista viva. . . . . . . Algunos factores de expansión Y para flujo... Algunos valores medios de n empleados en las fórmulas de Kutter y de

Manning y de m en la fórmula de Bazin. 10. Valores de C de la fórmula de Kutter. 11. Valores del factor de descarga K para canales trapezoidales 12. Valores del factor de descarga K' para canales trapezoidales 13. Areas de círculos 14. Pesos v dimensiones de tuberías de fundición

246 247

248 249

250 250 251 252 252

253 254 255 256 256

DIAGRAMAS Diagramas

A-2. B. C.

D. E, F. G.

H.

TNDICE

coeficientes de fricción f .. ........ Diagrama de Moody modificado para coeficientes de fricción / (solución directa para el flujo O). Nomograma de caudales, fórmula de Hazen-Williams (Ct : 100). Coeficiente para orificios medidores Coeficientes para boquillas de aforo Coeficientes para venturímetros. . Coeficiente de resistencia en función de Rr. Coeficientes de resistencia para placas planas y lisas... Coeficientes de resistencia a velocidades supersónicas

l-1. Diagrama de Moody para

257

258 259 260 261 262

263 264

265

261

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Tabla

Páginas

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SIMBOLOS Y ABREVIATURAS En la siguiente lista se da el significado de las letras empleadas en este libro. Por la limitación del alfabeto es imposible evitar la utilización de la misma letra para representar más de una magnitud. Como cada símbolo se define al introducirlo por primera vez, no existe confusión posible.

/ b

c

aceleración en m/seg2, área en m2

hp

potencra en caballos

de vapor (CV) :

wQHl75

área en m2

longitud de un vertedero en m, anchura en la superficie libre del agua en m, anchura de solera de un canal abierto en m

I

momento de inercia en mo o cmo

1,,

producto de inercia en ma o cma

k

del sonido)

relación de los calores específicos, exponen-

te isoentrópico (adiabático), constante

coeficiente de desagüe o descarga, celeridad de la onda de presión en m/seg (velocidad

de

Von Karman

K

coeficiente de desagüe en canales trapezoidales, coeficiente de pérdida de carga en

cc

coeficiente de contracción

cu

coeficiente de velocidad

C

coeficiente de Chezy, constante de integración

K,

CG

centro de gravedad

I

longitud de mezcla en m

f

longitud en m

LE

longitud equivalente en m

m

coeficiente de rugosidad en la fórmula de Bazin, coeficiente de vertedero en presas

M

masa en UTM (unidad técnica de masa) o kg seg2/m, peso molecular

n

coeficiente de rugosidad, exponente, coeficiente de rugosidad en las fórmulas de Kutter y de Manning

N

velocidad de rotación en rpm

ensanchamientos, constante

ce

centro de presión, coeficiente de potencia en hélices

CD

coeficiente de arrastre

CF

coeficiente de empuje en hélices

CL

coeficiente de sustentación

CT

coeficiente del par en hélices

c1

coeñciente de Hazen-Williams

cfs

pies cúbicos por segundo

d,D

diámetro en m

D1

diámetro unitario en cm

Dr

densidad relativa

e

rendimiento

E

módulo de elasticidad volumétrico en kg/m2, en kg/cm2 o en kg/mm2, energía específica en kgm/kg

J

o

resistencia

velocidad especifica en rpm velocidad unitaria en rpm NF

factor o coeficiente de rozamiento de Darcy en flujo en tuberías

F g

fuerza en kg, empuje en kg aceleración de la gravedad

JZ.r

gpm h H

:

9,81 m/seg'z

)

ples/seg-

-

galones americanos por minuto altura de carga en m, altura o profundidad en m, altura o carga de presión en m altura o carga total (energía por unidad de

peso)enmokgm/kg

H, h"

pérdida de carga en designa por LH)

de pérdida de carga en contrac-

::."L"1.*.

m

(algunas veces

número de Froude número de Mach

Nv

número de Weber

p

presión

p'

presión en k!/cm2

P

fuerza en kg, potencia en kgm/seg

D

potencia uritaria en kgm/seg

psf

libras/pie'? (lb/ft'?)

psla

fibras/pulgada'z (lblin2), absoluta. En el sistema técnico europeo kg/cm'? (ab)

psrg

lb/in2, manométrica. En el sistema técnico europeo simplemente kglcm2

q

caudal por unidad de anchura en m3/seg por unidad de anchura

o

caudal en volumen en m3/seg

se

el

kglm2, perímetro mojado en m

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a

www.elsolucionario.net SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

r

radio en m

ro

radio de una tubería en m

R

constante de los gases, radio hidráulico en m

RE

s

Dr

velocidad

V

velocidad media en m/seg (o como venga definida)

número de Reynolds

v"

velocidad crítica en m/seg

pendiente de la línea de alturas piezométricas, pendiente de la línea de alturas totales

w

peso específico en kg/m3

W

peso en kg, caudal en peso

la solera de un canal

,so

pendiente de

t

tiempo en seg, espesor en cm, viscosidad en grados Saybolt

T u

temperatura, par en mkg, tiempo en

rD

r;

:

wQ enkglseg

distancia en m

seg

velocidad periférica de un elemento que está girando en m/seg

u, u,

: llw en m3lkg de corte : Jrt, en m/seg

volumen específico

mr/seg

descarga

v

proflundidad en m. distancia en m

!"

profundidad crítica en m

ln

profundidad normal en m

Y

coeficientes de expansión en flujos compresibles

componentes de la velocidad en las direc-

cionesX,YyZ

z

volumen en m3, velocidad local en m/seg, velocidad relativa en maquinaria hidráuli-

o cota

elevación, altura topográfica

(car-

ga) en m

Z

ca en m/seg

altura de la cresta de un vertedero la solera del canal en m

sobre

a (alfa)

ángulo, coeficiente de corrección de la energía cinética ángulo, coeficiente de corrección de la cantidad de movimiento espesor de la capa límite en m término correctivo del flujo e (épsilon) rugosidad superficial en cm n @ta) viscosidad de remolino 0 (theta) ángulo genérico p (mi) viscosidad absoluta o dinámica en kg seg/m2 (o en poises) viscosidad cinemática : plp en m2/seg (o en stokes) v (ni) parámetro adimensional n (pi) p (ro) densidad : ülg en kg seg2/ma o UTM/m3 o (sigma) tensión superficial en kg/m, tensión o esfuerzo normal en kg/cm2 r (tau) tensión o esfuerzo cortante o tangencial en kg/m2 coeficiente de velocidad, potencial de velocidad, relación d (fi) ú (psil función de corriente co (omega) velocidad angular en rad/seg

@eta) ó (delta) A (delta) B

FACTORES DE CONVERSION 1 pie cúbico (ft3) : 7,48 galones americanos : 28,32 litros I galón americano : 8,338 libras de agua a 60' F : 3,7854 litros 1 pie cúbico por segundo : 0,646 millones de galones por día : 448,8 galones por minuto 1 libra-segundo por pie cuadrado (p) : 478,7 poises : 4.88 kg seg/m2

I

poise

: I glcm seg :

l/98.1 kg

seg/m2

1 pie cuadrado por segundo (v) : 929 stokes (cm2/seg¡ t horsepower (HP) : 550 pieJibras por segundo : 0,746 kilovatios : 1,014 caballos de vapor (CV) I caballo de vapor (CV) : 75 kgm/seg : 0,736 kilovatios (kW) : 0,986 horsepower (HP) 760 mm Hg : ¡O pulgadas de mercurio (in Hg) : 34 pies de agua (ft HrO) : 14,7 libras por pulgada cuadrada 1lb/in'z;

I I

: 1,033 kglcm2 : I Atm (atmósfera fisica) : I at (atmósfera técnica) : 0,9678 Atm : 14,22 lblin2 por pie cuadrado (lb/ft'? o Rsf) : 4,33 ¡tr-'

kg/cm'z

libra

:

7ó kgrn/seg

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o caudal unitario en

Q.

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Capítulo

1

Propiedades de los fluidos LA MECANICA DE LOS FLUIDOS Y LA HIDRAULICA o en movimiento constituye la mecánica de los fluidos y la hidráulica. En el desarrollo de los principios de la mecánica de los fluidos algunas de las propiedades de los fluidos juegan un papel preponderante, mientras que otras o influyen muy poco o nada. En la estática de los fluidos, el peso específico es la propiedad importante, mientras que en el flujo de fluidos la densidad y la viscosidad son las que predominan. Cuando tiene lugar una compresibilidad apreciable es necesario considerar los principios de la termodinámica. Al intervenir presiones manométricas negativas la tensión...