IMPACTO DEUN CHORRO DE AGUA

Se propone calcular las fuerzas producidas por un chorro de agua al incidir con un ngulo variable sobre una superficie. La Figura 3.1 muestra un esquema del aparato a emplear.

Figura 3.1: Aparato de medicin de fuerza debida al impacto de un chorro de agua.

El conjunto consiste en un cilindro de prueba, construido en acrlico transparente, en el que se inyecta agua verticalmente a travs de una boquilla. El agua golpea sobre el objetivo, que se haya montado sobre un pie, y un platillo colocado encima de aqul permite compensar la fuerza del impacto del chorro aadiendo pesos de masa determinada.

3.1. Descripcin del equipo

El agua sale de la boquilla y, tras golpear la placa objetivo, deja el cilindro a travs de los agujeros situados en la base del mismo. Un conducto de ventilacin garantiza que el cilindro permanece a presin atmosfrica. La fuerza vertical sobre la placa objetivo se mide aadiendo pesos al platillo hasta que la marca de ste queda a la misma altura que el indicador de nivel. El indicador de nivel garantiza que la compresin del muelle es constante en todo momento y no afecta las medidas.Para reemplazar la placa objetivo, afljense los tornillos roscados de la placa superior, y seprense del tanque transparente. Cudese de apretar demasiado los tornillos al volver a colocar la placa superior, puesto que podra daarla si fuera excesivo el ajuste.

Para la realizacin del prctica, necesitaremos:

Banco hidrulico: permite medir el flujo de agua a partir de un volumen recogido durante un tiempo fijado.

Equipo de choorro de agua: con cuatro placas deflectoras con ngulos de 20 , 90 , 120 y 180 grados.

Cronmetro: permite calcular el tiempo durante el que se inyecta agua.

Datos tcnicos: las dimensiones de los componentes del equipo empleado en esta prctica quedan recogidas en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1: Dimensiones del equipo para impacto de chorro de agua.

VariableSmboloValor

Dimetro de la boquillaSeccin de la boquilladA0,008m5,0265 105 m

3.2. Descripcin de la prctica

El objetivo de la prctica es investigar las fuerzas de reaccin producidas por el cambio de la cantidad de movimiento en un flujo de agua.La Tabla 3.2 incluye la nomenclatura de las variables empleadas durante la prctica.

Tabla 3.2: Variables empleadas en el impacto de un chorro de agua.

A

3.2.1.Mtodo

Las fuerzas de reaccin producidas por el impacto del chorro de agua sobre una superficie se pueden investigar midiendo las fuerzas resultantes para diferentes ngulos de deflexin del flujo.

3.2.2.Teora

La velocidad v del fluido que sale de la boquilla de seccin A, se calcula como:

v = Qt . (3.1)ASe supone que la magnitud de la velocidad no vara al pasar el flujo por el deflector, cambiando slo su direccin.La segunda ley de Newton aplicada al flujo una vez desviado, proporciona:

Fy = Qm v (cos + 1) , (3.2)

donde

Fy es la fuerza ejercida por el deflector sobre el fluido.

Qm es el flujo msico. Qm = Qt = Av.

Qt el el flujo volumtrico.

En una situacin de equilibrio esttico, Fy queda compensada por la carga aplicada W = mg, con lo que:W = Av2 (cos + 1) . (3.3)

La pendiente s de un grfico que represente la fuerza W en funcin de v2 , es por tanto

s = A (cos + 1) . (3.4) Ntese que = 180 , donde es el ngulo de deflexin.

3.2.3.Configuracin del equipo

Qutese la placa superior del conjunto, aflojando los tornillos roscados. Seprese tambin el cilindro transparente y comprubese que el dimetro de salida de la boquilla coincide con el nominal. Colquese de nuevo el cilindro en su lugar. Atornllese al final de la varilla uno de los cuatro deflectores de flujo, una vez identificado su ngulo de deflexin. Conctese el tubo de toma de agua al conector de suministro de agua del banco hidrulico.Colquese de nuevo la placa superior sobre el tanque transparente, pero sin apretar todava los tornillos roscados.Usando el nivel de burbuja colocado en la parte superior del conjunto, nivlese el tanque transparente ajustando los pies del mismo.Ajstense los tornillos para fijar la placa superior al nivel indicado por el nivel de burbuja.Asegrese de que la varilla vertical puede desplazarse libremente y queda sujeta por el muelle situado bajo el platillo.

3.2.4.Procedimiento

Partiendo de una situacin sin pesos en el platillo, ajstese la altura del indicador de nivel hasta que quede alineado con la lnea marcada sobre el platillo.Comprubese que la posicin es la correcta, haciendo oscilar suavemente el platillo (ste debera quedar en reposo y alineado con la marca si todo est correcto).Colquese una masa de 0,4kg sobre el platillo y brase la vlvula del banco para dejar entrar el agua. Ajstese la vlvula hasta que se consiga un equilibrio esttico entre el peso situado sobre el platillo y la fuerza producida por el chorro, de modo que la marca del platillo quede de nuevo alineada con el indicador de nivel (comprubese volviendo a hacer oscilar suavemente el platillo).Antese el comportamiento del flujo durante estas pruebas.Mdase el flujo de agua empleando el tanque volumtrico. Esto puede conseguirse cerrando la vlvula de bola y midiendo con un cronmetro el tiempo requerido para llenar un volumen conocido de agua, mostrado por el indicador del banco. Debera recogerse agua durante al menos un minuto para minimizar errores. Reptase dos veces esta medicin para comprobar valores y hgase la media de los resultados.Reptase el procedimiento para un intervalo de masas aplicadas sobre el platillo. Reptase finalmente todo el procedimiento para los restantes tres deflectores.

3.2.5.Resultados

Las lecturas deben quedar recogidas en un cuadro del estilo mostrado en la Tabla 3.3.Represntese grficamente la fuerza W en funcin del cuadrado de la velocidad v2 . Comprese la pendiente de esta grfica con la pendiente terica.

Tabla 3.3: Tabla de resultados para el impacto de un chorro de agua. Variables.

Medicind Def VtWQtvv2 Fy sexp steor1234567. . .

3.2.6.Conclusiones

Comntese el acuerdo (o falta del mismo) entre los resultados tericos y experimentales, dando razones para las posibles diferencias.Comntese la importancia de cualquier error experimental cometido.

DESCRIPCIONEl mdulo consiste en un tanque cilndrico con superficies laterales transparentes, donde una boquilla, conectada al Banco Hidrulico (FME00), se alinea con el eje sobre el que se acopla la superficie problema. La fuerza vertical realizada por el agua contra la superficie se mide empleando masas calibradas que equilibran dicha fuerza, tomando como referencia un indicador o calibre que se ha ajustado previamente a un cero de referencia, que es una marca que aparece en la superficie sobre la que se colocan las masas.Apoyos ajustables que permiten la nivelacin del dispositivo.Orificios realizados en la base inferior del tanque para evacuar el agua, evitando as las salpicaduras.

POSIBILIDADES PRACTICAS1.- Impacto sobre una superficie plana.2.- Impacto sobre una superficie curva de 120.3.- Impacto sobre una superficie semi-esfrica.4.- Uso de los conectores rpidos.

ESPECIFICACIONES

Depsito cilndrico transparente.Dimetro del chorro: 8 mm.Dimetro de las superficies de impacto: 40 mm.Superficies de impacto:Superficie semiesfrica de 180.Superficie curva de 120.Superficie plana de 90.Se suministra un juego de masas de 5, 10, 50 y 100 g.Sistema de conexin rpida incorporado.

DIMENSIONES Y PESODimensiones: 250 x 250 x 500 mm. aprox.Peso: 5 Kg. aprox.

SERVICIOS REQUERIDOSBanco Hidrulico (FME00) Grupo de Alimentacin Hidrulica Bsico(FME00/B).Cronmetro.