Practica 04 fi unam Final P4 Gradiente DE Presión PDF

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Practica 04 de la materia fundamentos de física, modelos matemáticos, graficas y conclusiones sobre los fenómeno estudiados...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería División de Ciencias Básicas Semestre 2021-1

Laboratorio de: Fundamentos de física. Práctica No.

4

Nombre de la práctica: Gradiente de presión.

Nombre del profesor: Quintana Sánchez Yenni

Número de Grupo:

05

Número de Brigada

Integrantes

Fecha de realización

Calificación

30 de noviembre del 2020

Manual de prácticas del Laboratorio de Física Experimental (modalidad a distancia) Facultad de Ingeniería

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Fecha de emisión

Septiembre 2020

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Práctica 4 Gradiente de presión

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Introducción:

Para llevar a cabo esta práctica se necesitaran la compresión de los siguientes conceptos: Fluido: Se describe como la sustancia que puede deslizarse fácilmente y es sensible a la fuerza por lo que puede cambiar de forma sometiendolo pequeñas fuerzas. Con ellos esta definición incluye tanto a sustancias en estados líquidos o gaseosos. Presión: se define como la fuerza ejercida perpendicularmente en cualquier punto de la frontera de un sistema o superficie; por lo tanto se puede decir que la resultante de ejercer una fuerza F en una área de una superficie será la presión y cabe decir que la presión es directamente proporcional a la fuerza e invesarmetre proporcional a el área sobre la cual se ejerce dicha fuerza, lo que la hace una propiedad intensiva ya que no depende una masa. Dando la siguiente ecuación: P=F / A P=Presi ó n[ Pa] F=Fuerza[ N ] A= Á rea dela superficie [m ²] Presión hidrostática: Es el análisis de la presión en diversas profundidades de los fluidos inertes (sin movimiento). P=d∗g∗h P=Presi ó n hidrost á tica [ N /m ²] g= Aceleració n de la gravedad[ m / s ²] h= Altura del fluido

Presión absoluta [P abs]: Es la presión medida desde un punto específico de un sistema, se suele medir tomando como base el cero, y es la suma de la presión atmosférica y la presión relativa; se usa comúnmente para realizar cálculos teóricos. Presión manométrica (relativa) [Pman]: El nombre de presión manométrica, se le da por que este tipo de presión se mide con un aparato denominado manómetro, pero también se conoce como presión relativa. Se calcula como la diferencia de la presión absoluta entre la presión atmosférica de un sistema; en este tipo de presión se suele dar presiones con signos negativos y positivos. La presión relativa positiva hace que la presión absoluta del sistema sea igual a la suma de la presión atmosférica y la presión relativa.

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|¿|=P(atm)+P (man)

P¿ Por otro lado, cuando la presión relativa es negativa se le conoce como presión vacuométrica o de vacío, la presión absoluta se calcula como la diferencia de la presión atmosférica entre la presión vacuométrica. |¿|=P(atm)− P(va c )

P¿ Presión atmosférica o presión barométrica: La presión atmosférica que es comúnmente también es llamada presión manométrica debido a el aparato con el que se puede determinar se llama barómetro de Torricelli; es la fuerza que la atmósfera ejerce sobre la superficie de la tierra, esta varía según la altura de la superficie, es por eso que a nivel del mar la presión atmosférica es mayor que en superficies montañosas, que por lo general tiene menor presión atmosférica. Y se puede calcular despejando de las fórmulas anteriormente mencionadas. Gradiente de presión: Se define como la variación o diferencia de las presiones conforme la variación de las profundidades dada en una determinada dirección del sistema.

1. Objetivos de aprendizaje a) Obtener los modelos gráfico y matemático de la presión manométrica Pman en función de la profundidad y, en un fluido homogéneo en reposo.

b) Obtener, a partir del modelo matemático anterior, la densidad ρ y la magnitud del peso específico ϒ del fluido empleado. c) Explicar la relación que existe entre presiones absoluta, relativa y atmosférica. d) Verificar la validez del gradiente de presión y la naturaleza intensiva de la propiedad llamada presión.

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Resumen: En el presente trabajo se desarrolla de manera experimental los conceptos que implican calcular y relacionar a la gradiente de presión de un sistema con la pendiente de los modelos matemáticos obtenidos y el peso específico . A través del simulador “Presión hidrostática en líquidos” se cuantificarón las variaciones de presiones que se producían por la variación de las profundidades de los líquidos agua, y mercurio; usando el método de mínimos cuadrados se determinó la ecuación que describe los fenómenos estudiados. Utilizando los conceptos de gradiente de presión y de peso específico se determinó que la pendiente obtenida de los modelos matemáticos, describe a estos mismos. Palabras clave: Presión, modelo matemático, gradiente de presión, peso específico. Abstract: In the present work, the concepts that involve calculating and relating the pressure gradient of a system with the slope of the mathematical models obtained and the specific weight are experimentally developed. Through the simulator "Hydrostatic pressure in liquids" the pressure variations produced by the variation of the depths of the liquids, water, and mercury, were quantified; Using the least squares method, the equation that describes the phenomena studied was determined. Using the concepts of pressure gradient and specific weight, it was determined that the slope obtained from the mathematical models describes them. Keywords: Pressure, mathematical model, pressure gradient, specific gravity.

2. Herramienta Digital Para esta práctica se hará uso del siguiente simulador de presión. https://www.walter-fendt.de/html5/phes/hydrostaticpressure_es.htm

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3. Desarrollo de las actividades Actividad 1 Identifique las características estáticas del siguiente manómetro diferencial.

Figura 4.1 Manómetro diferencial.

Tabla 4.1 Modelo MAKASU

111

Rango 0 - 5 Pa

Resolución 0.5 Pa

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Actividad 2 Observe la pantalla del simulador, se muestra un manómetro diferencial en forma de “U”. Escoja como líquido agua, seleccione el manómetro diferencial con el cursor y muévalo hacia arriba o hacia abajo para poder variar la profundidad. Selecciona otro líquido y repite el procedimiento. Observe que las unidades de presión manométrica están en “hPa”.

Figura 4.2. Pantalla del simulador de presión.

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Actividad 3 Seleccione como líquido: “agua”: Varíe la profundidad y mida la presión correspondiente. Complete la siguiente tabla. Tabla 4.2 L e c t u r a

y [cm ]

1

0

2

1.0

3

1.5

4

2.0

5

2.5

6

3.0

7

3.5

8

4.0

9

4.5

1 0

5.0

*Nota: hecto es el prefijo para 100.

y [m]

P [hP a] *

0

0

0.01

0.98

0.15

1.5

0.02

2.0

0.02 5 0.03

2.5

0.03 5 0.04

3.4

0.04 5 0.05

4.4

2.9

3.9

4.9

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Actividad 4 Ubique en una gráfica los puntos experimentales obtenidos de la presión manométrica en función de la profundidad del agua en reposo.

Gráfica 1. puntos experimentales obtenidos de la presión manométrica [hPa] en función de la profundidad [cm] del agua en reposo.

Gráfica 2. Puntos experimentales obtenidos de la presión manométrica [Pa] en función de la profundidad [m] del agua en reposo.

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Actividad 5 Obtenga el modelo matemático de la presión manométrica en función de la profundidad del agua en reposo, es decir: Pman [Pa]= f(y) [m].

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Actividad 6 Realice el modelo gráfico de la presión manométrica en función de la profundidad del agua en reposo, es decir: Pman [Pa]= f(y) [m].

Gráfica 3. Variación de la presión [hPa] manométrica en función de la profundidad [cm] del agua en reposo.

Gráfica 4. Variación de la presión [Pa] manométrica en función de la profundidad [m] del agua en reposo.

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Actividad 7 Seleccione como líquido “mercurio”. Varíe la profundidad y mida la presión correspondiente. Llene la siguiente tabla. Recuerde que h es el prefijo para hecto Tabla 4.3 L e c t u r a

y [c m]

1

0

2

1.0

3

1.5

4

2.0

5

2.5

6

3.0

7

3.5

8

4.0

y [m]

P [hP a]

0

0

0.01

13

0.01 5 0.02

20

0.02 5 0.03

33

0.03 5 0.04

47

27

40

53

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Actividad 8 Ubique en una gráfica los puntos experimentales obtenidos de la presión manométrica en función de la profundidad del mercurio en reposo.

Gráfica 5. Puntos experimentales de la variación de la presión [hPa] manométrica en función de la profundidad [cm] del mercurio en reposo.

Gráfica 6. Puntos experimentales de la variación de la presión [Pa] manométrica en función de la profundidad [m] del mercurio en reposo.

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Actividad 9 Obtenga el modelo matemático de la presión manométrica en función de la profundidad del mercurio en reposo, es decir: Pman [Pa]= f(y) [m].

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Actividad 10 Realice el modelo gráfico de la presión manométrica en función de la profundidad del mercurio en reposo, es decir: Pman [Pa]= f(y) [m].

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Gráfica 4. Variación de la presión manométrica [hPa] en función de la profundidad [cm] del mercurio en reposo.

Gráfica 5. Variación de la presión manométrica [Pa] en función de la profundidad [m] del mercurio en reposo.

Actividad 11

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Determine de ambos modelos el valor de la magnitud del peso específico y el valor de la densidad del fluido, con sus respectivas unidades en el SI. Tabla 4.4 Fluido Agua Mercurio

Peso específico

Densidad

9733.33 [N/m³]

995.22 [kg/m²]

133383.4586 [N/m³]

13638.39045 [kg/m²]

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Actividad 12 Con la ayuda de la explicación del profesor y de la gráfica siguiente, identifique dos aplicaciones cotidianas de la presión manométrica y de la presión vacuométrica. Recuerde que la presión atmosférica a nivel del mar es de 101 325 [Pa] y en la Ciudad de México de 77 400 [Pa] aproximadamente.

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Figura 4.3. Presión manométrica, presión vacuométrica y presión absoluta.

1. Neumáticos de los automóviles. Se inflan a una presión de 206842 [Pa], lo que equivale a 30 [psi]. Esto se hace para que los neumáticos tengan elasticidad ante fuertes golpes. El aire queda cerrado a mayor presión que la atmosférica dentro de las cámaras (casi 3 veces mayor). Igual a una presión manométrica.

2. Frenos hidráulicos. Muchos automóviles tienen sistemas de frenado antibloqueo (ABS, siglas en inglés) para impedir que la fuerza de fricción de los frenos bloquee las las ruedas, provocando que el automóvil derrape. En un sistema de frenado antibloqueo un sensor controla la rotación de las ruedas del coche cuando los frenos entran en funcionamiento. Si una rueda está a punto de bloquearse los sensores detectan que la velocidad de rotación está bajando de forma brusca, y disminuyen la presión del freno un instante para impedir que se bloquee. Comparándolo con los sistemas de frenado tradicionales, los sistemas de frenado antibloqueo consiguen que el conductor controle con más eficacia el

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automóvil en estas situaciones, sobre todo si la carretera está mojada o cubierta por la nieve. Presión vacuométrica 3. La presión del agua dentro de las tuberías del alumbrado público. Presión manométrica.

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4. Cuestionario 1. ¿Cuál es el modelo matemático de la presión manométrica P man en función de la profundidad obtenida?

Pman [Pa]= m[Pa/m] h[m]+ b[Pa] 2. Con base en la actividad 12, escriba la ecuación que relaciona a las presiones absoluta, manométrica y atmosférica, en un punto dentro de un fluido en reposo.

P(abs)=...