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SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR DIRECCIÓN GENERAL DEL BACHILLERATO

CENTRO DE ESTUDIOS DE BACHILLERATO 4/1 “MAESTRO MOISÉS SÁENZ GARZA”

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Academia de Ciencias Experimentales

Laboratorio de Física

Física II

ALUMNO(A): GRUPO: EQUIPO:

PROFESOR(A): FECHA: CALIFICACION:

Actividad experimental No.2

Características de los fluidos, presión y gasto

EXPERIMENTO No. 1 Características de los fluidos.

1. OBJETIVO:

Identificar las características de los fluidos a través de diversos experimentos, así como los efectos de la presión atmosférica.

2. MATERIALES:

Un gotero

Un frasco

Un vaso de precipitados de 250 ml

Dos vasos de precipitados de 500 ml

Una pipeta graduada

Un trípode o trípie metálico

Una manguera de hule de 60 cm

Una lata de refresco

Un frasco de vidrio de boca ancha

Papel grueso o cartoncillo que cubra totalmente la boca del frasco de vidrio

3. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA:

Slisko Ignjatov, Josip. (2018). Física 2. México, quinta edición, Pearson Educación.

Hewitt, P. (2007). Física Conceptual. México, décima edición, Pearson Educación.

Pérez, H. (2015). Física General serie Bachiller. México, quinta edición, Grupo Editorial Patria.

Tippens, P. (2011). Física, Conceptos y Aplicaciones. México, séptima edición, Mc Graw Hill.

Gutiérrez, C. Manual de prácticas de física. México, M c. Graw Hill.



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4. ASPECTOS TEÓRICOS: Características de los fluidos.

Fluido

Fluido es toda sustancia que puede “fluir”, es decir deslizarse con poca resistencia por efectos

de fuerzas que actúan tangenciales a su superficie.

Los fluidos pueden ser tanto líquidos y gases que, si bien no tienen forma definida, presentan

las siguientes características:

Líquidos Gases

Se deforman fácilmente Se deforman fácilmente

Adopta la forma del

recipiente que lo contiene

Adopta la forma del


Su volumen es constante Su volumen depende del


Alta densidad e

incompresible

Baja densidad y altamente

compresible

Presenta superficie libre No presenta superficie libre

En un sentido estricto, se puede considerar un fluido como un conjunto de moléculas

distribuidas al azar que se mantienen unidas a través de fuerzas cohesivas débiles y las fuerzas

ejercidas por las paredes del recipiente que lo contiene. La rama de la física que estudia los

fluidos, recibe el nombre de mecánica de los fluidos.

El agua, el aceite, la leche, el aire y el gas butano son ejemplos de fluidos. En general podemos afirmar que todos los líquidos y los gases son fluidos. Un fluido es una sustancia cuya forma se adapta a la del recipiente que lo contiene. Esto se debe a que las fuerzas que mantienen unidas a sus moléculas no son tan intensas como las que existen entre las moléculas de un sólido.

La hidráulica es una rama de la mecánica que se encarga del estudio de los fluidos y sus aplicaciones, se clasifica en hidrostática que se encarga del estudio de los fluidos en reposo y en hidrodinámica que estudia a los fluidos en movimiento.

Existen algunas otras características de los fluidos que se describen a continuación:



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Densidad. Es la relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo.

Tensión superficial. Se define como la fuerza por unidad de longitud que actúa a lo largo de una línea cuando se estira la “superficie del líquido”.

Cohesión. Es la atracción que existe entre las moléculas de una misma sustancia.

Adhesión. Es la fuerza de atracción entre moléculas de diferentes sustancias.

Capilaridad. Es el ascenso de un líquido en el interior de un tubo o conducto, la capilaridad se debe a que la fuerza de adhesión entre las moléculas del líquido y del recipiente es mayor que la fuerza de cohesión entre las moléculas del líquido.

Peso específico. Es la relación del peso y el volumen de un cuerpo.

Presión. Es la fuerza ejercida por unidad de área.

5. PROCEDIMIENTO: 1. Con un gotero pasa cinco gotas de agua de un frasco a un vaso de precipitados de 250 ml. Observa cómo funciona el gotero. 2. Pon agua a un vaso de precipitados más o menos hasta la cuarta parte de el. Ahora, mediante una pipeta graduada, mide 10 cm3 de agua y vacíalos a otro vaso de precipitados. Observa cómo funciona la pipeta.



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3. Mediante un trípie metálico eleva unos 20 cm sobre la mesa un vaso de precipitados de 500 ml lleno de agua. Al succionar con la boca el aire de una manguera de hule, pasa toda el agua del vaso de precipitados a otro de la misma capacidad colocado sobre la superficie de la mesa como se observa en la figura.

4. Agrega unos 5 cm3 de agua a una lata de aluminio vacía de refresco e intenta sellar con lo que queda de la tapa.

Posteriormente ponla a calentar mediante un mechero de Bunsen y un trípode metálico.



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Cuando hierva el agua y salga vapor de la lata, con cuidado para no quemarte y suspende el calentamiento, voltea súbitamente la lata en un recipiente con agua fría. Observa que le sucede al bote.

6. CUESTIONARIO: Con ayuda de las fuentes bibliográficas indicadas en esta práctica, tus apuntes de clase y los experimentos realizados, da respuesta a las preguntas siguientes. 1. ¿Explica cómo funciona el gotero? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 2. ¿Explica cómo funciona la pipeta? __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3. Describe cómo funciona un popote al beber un refresco: __________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4. ¿Qué le sucedió a la lata de refresco al enfriarse bruscamente? ¿Por qué? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________



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EXPERIMENTO No 2. Determinación de presión absoluta y manométrica. 1. OBJETIVO:

Determinar la presión manométrica y absoluta en un manometro de tubo U.

2. MATERIALES: 3 probetas de 500 ml

400 ml de aceite

400 ml de cualquier liquido miscible en agua

400 ml de agua

3 globos

Manometro de tubo en U

Regla de 30 cm

3. ASPECTOS TEÓRICOS. Presión (p)

Podemos apreciar que los cuerpos según sean blandos

o rígidos (duros) se comportan de forma diferente

cuando sobre ellos actúan fuerzas.

Podemos detectar que los cuerpos rígidos, al recibir una

fuerza no sufren deformaciones apreciables, mientras

que si la misma fuerza actúa sobre un cuerpo blando se

deformaría; así por ejemplo, el cemento endurecido no

se deformaría, pero si lo haría el cemento “fresco”, el

barro o la nieve, si sobre cualquiera de estos cuerpos

actuase una fuerza. El efecto que las fuerzas producen sobre los sólidos blandos (deformables)

viene determinado por la presión (P) que ejercen sobre ellos.

La presión es una magnitud física que mide la fuerza que se aplica en una superficie Es la

fuerza que se ejerce en forma perpendicular por unidad de

area. La presión en un punto se obtiene del cociente entre

la fuerza normal aplicada (F) y la superficie (S o A) que

contiene al punto sobre la que se aplica.

Área A

FpA

N



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La presión es una magnitud escalar. La presión podrá expresarse en muy diversas unidades,

tales como: kg/cm2, psi, cm. de columna de agua, pulgadas o cm de Hg, bar. y como ha sido

denominada en términos internacionales, en Pascales (Pa), como la medida estándar según

la 3ra Conferencia General de la Organización de Metrología Legal. Dado que el Pascal

(Newton/m2), es la unidad estándar, las equivalencias de las demás medidas las expresaremos

en función de esta medida, a continuación:

1 Pa=0,00014 psi

1 Pa=0,0039 pulgadas de agua

1 Pa=0,00029 pulgadas de Hg

1 Pa=0,987x10-5 Atm.

1 Pa=0,102x10-4 kg/cm2

1 Pa=0,01 cm de agua

1 Pa=0,0076 mm de Hg

Presión Atmosférica

La atmósfera terrestre es la parte gaseosa de la Tierra que constituye la capa más externa y

menos densa del planeta. Está constituida por varios gases. Esta mezcla de gases que forma

la atmósfera recibe genéricamente el nombre de aire. El 75% de la atmósfera se encuentra en

los primeros 11 Km. de altura desde la superficie planetaria. Los principales elementos que la

componen son el oxígeno (21%) y el nitrógeno (78%).

La atmósfera ejerce, como cualquier otro fluido, una presión sobre

los cuerpos que están en su interior. Este aire tiene peso y

actuando sobre la superficie terrestre origina la llamada Presión

Atmosférica

Esta presión es debida a las fuerzas de atracción entre la masa de la

Tierra y la masa de aire.

La presión atmosférica es el peso de una columna de aire en un punto dado de la superficie

del planeta. Este peso ejerce una presión sobre este punto de la superficie, ya sea terrestre o

marina. Si el peso de la columna disminuye, también lo hace la presión, y viceversa. Si aumenta

el número de moléculas del aire en una superficie, habrá más moléculas para ejercer fuerza

sobre esa superficie, con el consecuente aumento de la presión.



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La gráfica muestra tres capas de la atmósfera. Se

divide en cinco capas (Troposfera, Estratosfera,

Mesosfera, Termosfera y la Exosfera) que cambian

con la altura.

La Presión Atmosférica a nivel del mar es de 1 atm.

1 atm = 1,013 105 Pa 100 kPa.

La Presión Atmosférica disminuye conforme

aumenta h, siendo h la altitud. La Presión

Atmosférica a nivel del mar no es la misma que en

Huaraz (3100 m.s.n.m)

po es 1 atmosfera y ho es 8,6 Km.

En una montaña la cantidad de aire que hay en la

parte más alta es menor que la que hay sobre una playa, debido a la diferencia de nivel.

Tomando como referencia el nivel del mar, donde la presión

atmosférica tiene un valor de 760 mm, se comprueba que, al

medir la presión en la cumbre que se encuentra a unos 1.500

metros sobre el nivel del mar, la presión atmosférica vale

aproximadamente 635 mm; es decir, la presión disminuye con

la altura.

De acuerdo a lo anterior, cuanto mayor sea la altura de la

superficie terrestre respecto al nivel del mar, menor es la

presión del aire:

En estado natural, los sólidos generan presión solo hacia abajo.

Los líquidos generan presión hacia todos sus costados y hacia

abajo. Y los gases generan presión por todo su alrrededor; o

sea, hacia arriba, hacia todos sus costados y hacia abajo, por

la propiedad más importante que los caracteriza: tienden a ocupar todo el espacio que los

contiene

Patm



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Torricelli fue el primero en medir la presión atmosférica. Para ello empleó un tubo de 1 m de

longitud, abierto por un extremo, y lo llenó de mercurio. Dispuso una cubeta, también con

mercurio y volcó cuidadosamente el tubo introduciendo el extremo abierto en el líquido, hasta

colocarlo verticalmente. Comprobó que el mercurio bajó hasta una altura de 760 mm. sobre el

líquido de la cubeta. Puesto que el experimento se hizo al nivel del mar, decimos que la presión

atmosférica normal es de 760 mm. de Hg. Esta unidad se llama atmósfera y esta es la razón

de las equivalencias anteriores.

La explicación de este resultado es que la presión atmosférica ejerce una presión que impide

que todo el mercurio salga del tubo. Cuando la presión atmosférica iguala a la presión ejercida

por la columna de mercurio, el mercurio ya no puede salir por el tubo.

101325 Pa = 1 atm = 760 mm. Hg.

Manómetro de Tubo en U:

Un tubo en U con su rama izquierda conectado al depósito donde se encuentra el fluido y cuya presión se quiere medir.

Si el fluido es un líquido:

PM = Plíquido + ρlíquido gh2

PN = Patm + ρHg gh1

Plíquido+ ρlíquido gh2 = Patm + ρHgh1

Patm

Líquido

h1 h2

N

Hg

M Plíquido = Patm +ρHggh1 – ρlíquido gh2



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Si el fluido es un gas PM = PN = PGAS

“Recuérdese que la presión es la misma en

todos los puntos del GAS.”

PN = Patm + ρHg gh.

Usualmente se usa mercurio como líquido

manométrico y además por ser de alta

densidad.

Observación: En los casos anteriores las presiones del gas y del líquido son mayores que la

Patm, pero puede ocurrir lo contrario en este caso se tendrían las figuras siguientes:

Observación:

Si en el tubo en U se le usa 2 ó más líquidos no miscibles ambas

ramas del tubo expuestos a la atmósfera.

En la figura se muestran dos líquidos 1 y 2 con densidades 1 y 2

respectivamente

PA = PB

PA = Patm+ ρ1gh1 , PB = Patm+ ρ2gh2 2211 ghgh

1

2

2

1

h

h

Patm Patm

Líquido h2

h1

Hg

Gas

Hg

h

(b) (a)

h2

Α B h1

ρ1

ρ2

PGAS = Patm + ρHg gh

Patm

Gas

M

h

N

mercurio



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5. PROCEDIMIENTO. 1. Colocar agua u otro liquido en el manómetro tipo U.

2. Colocar un globo con aire en uno de los extremos del tubo y observa lo que sucede.

3. Medir con la regla la longitud que alcanza el líquido en el tubo.

4. Anota tus datos en la tabla.

5. Repetir los pasos 1 al 3 pero ahora utilizando glicerina y posteriormente aceite comestible.

6. Reporte de resultados.

Líquido Altura h (m)

Densidad del líquido (kg/m3)

Presión manométrica

Pm (Pa)

Presión absoluta Pab (Pa)



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EXPERIMENTO 3. GASTO Y VELOCIDAD DE SALIDA. 1. OBJETIVO: Determinar la presión hidrostática, el gasto y la velocidad de salida de un líquido, a través de experimentar a distintas profundidades, para realizar cálculos que permitan relacionar la presión con el gasto del volumen desalojado. 2. MATERIALES:

1 Envase de cartón o lata de aluminio de un litro

1 Probeta graduada de 500 ml.

1 Clavo de 1 pulgada

1 Cronometro

1 Trozo de cinta adhesiva

1 Regla graduada

1 Marcador permanente

1 Vaso de precipitado de 200 ml

1 Franela

3. ASPECTOS TEÓRICOS. Todo líquido contenido en un recipiente origina una presión sobre el fondo y las paredes del mismo. Esto se debe a la fuerza que el peso de las moléculas ejerce en un área determinada. A dicha presión se le denomina presión hidrostática, ésta aumenta conforme es mayor la profundidad. La presión hidrostática (Ph) en cualquier punto puede ser calculada multiplicando la densidad de la sustancia por la gravedad y la altura; también se puede calcular como el producto del peso específico (Pe) del líquido por la altura (h) que hay desde la superficie libre del líquido al punto considerado. Matemáticamente se expresa así:

PH = ρ g h ó bien PH = e h

Dónde: PH: Presión hidrostática en N/m2; h: Altura o profundidad en m ρ: Densidad del líquido en kg/m3;

e: Peso específico del líquido o sustancia en N/m3 En esta actividad trataremos de relacionar la presión hidrostática con el gasto del volumen desalojado por un líquido, así como con la velocidad de salida, a través de la experimentación, para aplicar algunas expresiones matemáticas.



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4. CUESTIONARIO: 1) ¿A qué se le denomina presión hidrostática?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) ¿A qué se debe la presión que ejerce un líquido sobre el recipiente que lo contiene en un área determinada?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3) Escribir la expresión matemática para calcular la presión hidrostática. __________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4) Describe que representa cada una de las variables de la expresión matemática de la pregunta anterior y en que unidades.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



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5. PROCEDIMIENTO: a) A un envase de cartón de un litro de capacidad, hacerle con un clavo tres orificios del mismo tamaño a diferentes alturas, como se observa en la siguiente figura. Tapar los orificios con cinta adhesiva y llenar totalmente con agua el envase de cartón. Retirar una por una la cinta adhesiva y observar como es la salida del agua por cada orificio. Anotar dónde sale con mayor y menor velocidad y cuál es la causa.

b) Tapar nuevamente los orificios y volver a llenar con agua el envase de cartón. Destapar únicamente el orificio con menor profundidad y recibir en la probeta graduada el líquido desalojado durante 10 segundos. Medir el volumen desalojado y determinar el gasto con la expresión G = V/t,

Dónde:

V= volumen

t = tiempo

G = gasto

Registrar los datos en la tabla de resultados.

c) Tapar una vez más los orificios, llenar nuevamente el envase con agua, destapar solamente el orificio de en medio y recibir con la probeta el líquido desalojado durante 10 segundos. Calcular el gasto con la expresión G = V/t anotar los datos.

d) Repetir el paso anterior, pero ahora únicamente destapando el orificio de la parte superior. Sugerencia: relacionar el gasto con la profundidad del orificio y con la presión hidrostática.



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e) Medir la altura que hay en cada uno de los orificios y determinar la presión hidrostática en cada uno de ellos, cuando el envase está totalmente lleno de agua. Para ello aplicar la formula siguiente:

PH = ρ g h.

Anotar los resultados

f) Aplicar la expresión matemática del teorema de Torriceli 𝑣 = √2𝑔ℎ y calcular con que

velocidad en m/s sale el agua en cada uno de los orificios cuando el envase de cartón está totalmente lleno de agua. Con base en los resultados determinar en cuál de los tres orificios es mayor la velocidad del líquido e indicar como varía la velocidad con respecto a la presión hidrostática.

6. RESULTADOS Tabla Nº 1

Orificio Volumen obtenido en 10 segundos

Altura (m) Presión hidrostática (N/m2)

Superior Medio Inferior

Tabla Nº 2

Gasto y velocidad de salida

Orificio Volumen

(L) Tiempo

(s) Gasto (L/s)

Altura h (m)

Velocidad (m/s)

Superior Medio Inferior

7. CONCLUSIONES:

Discutir en equipos y posteriormente de manera grupal los resultados de los experimentos realizados, así como las posibles aplicaciones cotidianas e industriales de los conceptos estudiados.

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