laboratorio 5

FUERZAS DE FRICCION EN FLUIDOS

PRACTICA DE LABORATORIO N°5


I. OBJETIVOS :

1.1. Determinar experimentalmente el coeficiente de viscosidad, de un

fluido líquido (aceite).

1.2. Determinar experimentalmente la velocidad límite de una esferilla

cuando se mueve en un fluido líquido.

II. EQUIPO Y MATERIALES :

Una regla graduada en milímetros.

Un cronómetro.

Un tubo de vidrio de 1 lt. De capacidad.

Esferas de acero de diferentes diámetros.

Aceite

Una balanza

Un micrómetro

III. MARCO TEORICO:

3.1. FUERZAS DE FRICCIÓN EN FLUIDOS.

Cuando un cuerpo se mueve relativamente baja a través de un fluido tal

como un gas o un líquido, la fuerza de fricción puede considerarse

aproximadamente como proporcional a la velocidad instantánea, y

opuesta a ella, entonces tenemos:

Fv = -K V

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Donde: K es un coeficiente de fricción que depende de la forma del cuerpo,

para el caso de una esfera la Ley de Stokes, se establece.

K = 6 R = 3 D

Donde: R es el radio de la esfera. Por otro lado el coeficiente, h depende

de la fricción interna del fluido (fuerza de fricción entre las diferentes

capas del fluido que se mueven a diferentes velocidades). Esta fricción

interna se denomina Viscosidad y recibe el nombre de coeficiente de

viscosidad. El coeficiente de viscosidad se expresa en el Sistema

Internacional de unidades en N.s/m2 o también un Poise = 1 gr/cm seg.

3.2. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA.

Existen numerosos ejemplos que muestran la variación de la viscosidad

con la temperatura, el aceite para motor, por lo general, es bastante

difícil de vaciar cuando esta frío, lo cual indica que tiene una viscosidad

alta. Conforme la temperatura del aceite va aumentando, su viscosidad

disminuye notablemente.

En general todos los fluidos exhiben este comportamiento en algún

grado las gráficas viscosidad de un fluido líquido disminuye con un

incremento de la temperatura corroboran lo expresado anteriormente,

esto es la viscosidad de un fluido líquido disminuye con un incremento

de la temperatura. Por el contrario los gases se comportan de manera

diferente a los líquidos, esto es la viscosidad aumenta la temperatura,

sin embargo la magnitud de cambio es, por lo general menor que la de

un líquido.

Una mediada de que tanto cambia la viscosidad de un fluido con la

temperatura está dada por el Índice de Viscosidad, es muy importante

para aceites lubricantes que operan en condiciones extremas de

temperatura, esta situación puede expresarse como:

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Un fluido con un alto índice de viscosidad muestra un cambio pequeño de

viscosidad con la temperatura. Un fluido con un bajo índice de viscosidad

exhibe un cambio grande en su viscosidad con respecto a la temperatura.

3.3. MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD

Los procedimientos y el equipo para medir la viscosidad son

numerosos. Algunos utilizan los principios básicos de la mecánica de

fluidos para obtener la viscosidad en sus unidades básicas y otros

indican valores relativos de la viscosidad que se pueden usar para

comparar diferentes fluidos. Uno de los procedimientos más comunes

en el viscocímetro de caída de bola.

Viscosímetro de caída de bola. Cuando un cuerpo se desplaza a través

de un fluido viscoso bajo la acción de una fuerza constante (su propio

peso) tal como se muestra en la figura 1, sobre este actúan las fuerzas:

peso del cuerpo w, la fuerza de empuje, FE, y la fuerza viscosa, FV.

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IV. METODOLOGÍA

4.1. Para determinar el Coeficiente de Viscosidad.

a) En un tubo de vidrio se hecho aceite.

b) Trazamos dos marcas, una superior A y una inferior en el punto

B en el tubo como se muestra en la Fig. 01.

c) Medimos la longitud que marcamos. Registre sus valores en la

Tabla II

d) Con el vernier medimos el diámetro de cada una de las esferas y

registramos sus valores.

e) Con la balanza analítica medimos la masa de cada una de las

esferas.

f) Dejamos caer libremente la esfera en el tubo donde esta

contenido el aceite, y medimos el tiempo en recorrer AB.

g) Con un imán sacamos la esfera.

h) Repetimos los pasos anteriores para las demás esferas.

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Detalle del experimento

NLongitud

AB (cm)

Tiempo que demora en LAB (cm) Masa(gr.)Diámetro

de la esfera

1 2 3 4 5 Promedio (mm)

1 22 31.15 31.11 31.16 31.12 31.14 2.68 0.0024 0.45

2 22 22.20 22.19 22.17 22.20 22.18 2.93 0.0037 0.56

3 22 22.03 22.06 22.00 22.01 22.02 3.002 0.0039 0.57

4 22 27.56 27.54 27.50 27.51 27.52 2.942 0.0052 0.66

V. CUESTIONARIO

1. Con los datos de la

tabla II determine la velocidad terminar de cada una de las esferas con

su respectivo error absoluto y porcentual

Velocidad límite o terminal de cada una de las esferas con los datos de la tabla II, tenemos:

Se sabe que la velocidad limite esta dada por:

Donde:

L: es la longitud que recorre la esferaT: tiempo que demora la esfera en recorrer L

a. Esfera N 1

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= = 3.216 cm/s

Hallamos el error en la velocidad límite:

Error absoluto:

calculo de las derivadas parciales:

Reemplazando valores:

= = 0.18657 /s

= = 0.600 cm/s2

Reemplazando:

Error: e = = = 0.01223

Error porcentual: e% = 1.223%

b. Esfera N 2

= = 4.8427 cm/s

Hallamos el error en la velocidad límite:

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Error absoluto:


= = 0.2809 /s

= = -1.360 cm/s2

Reemplazando:

Error: e = = = 0.01694


5.2 Determinamos el coeficiente de viscosidad

Por la formula:

A. Hallamos el coeficiente de viscosidad de la primera esfera

La densidad de la esfera será:

Por la formula:

La densidad de la esfera será:

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D = 0.79 mm = 0.79x10-1 cm L = 17.24 cmT = 5.36 s

0.8976 gr/cm37.360 gr/cm3

Reemplazando en la formula:

el error absoluto:

El error esta dado por:

=

17.2835 gr/cm2.s

=

1.61227 gr/cm.s2

=

-0.02785 gr/cm2.s

= = 0.005 mm = 0.005x10-1cm

= = 0.05 s

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= = 0.05 cm


0.09065 gr/cm.s

Error: e = = = 0.10489


Hallamos el coeficiente de viscosidad de la segunda esfera

D = 0.099 cm L = 17.24 cmT = 3.56 s

0.8976 gr/cm37.87 gr/cm3

Reemplazando en la formula:

El error absoluto:

El error esta dado por:

Donde:

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Donde:

Donde:

Reemplazando:

=

15.521

=

2.1799

=

0.00248

= = 0.005 mm = 0.0005cm

= = 0.05s

= = 0.05 cm


0.11688

Error: e = = = 0.1522


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2. Cuales son los posibles

fuentes de error de la experiencia?

Existen muchos factores que influyen en el existo o fracaso de

nuestra experiencia los que influyeron fueron:

Haber instalado mal los equipos como por ejemplo:

- No haber nivelado el soporte universal

- No haber sujetado correctamente el alambre

No medir bien con el vernier

Equivocarse al anotar los datos

Realizar lectura errónea

Haber activado el cronometro antes de tiempo o después de tiempo

en que comenzaron las oscilaciones y demorarse o adelantarse en

desactivarlo.

Apoyarse en el equipo

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3. Defina la expresión

velocidad terminal de la manera en que se aplica a un viscosímetro de

cada bola.

La velocidad es la relación que recorre la esfera de metal y el tiempo que

demora en recorrerla.

4. En un viscosímetro de

caída de bola, se permite que una bola de acero de 1,6 mm de diámetro

caiga libremente en aceite combustible pesado que tiene una gravedad

específica de 0,94. el acero pesa 77 KN/m3. si se observa que la bola cae

250 mm en 10,4 seg. Calcule la viscosidad del aceite

Datos:

D=1.6mm

W= 77Kg/m3 h= 250mm

T= 10.4 seg

Sol:

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VI. RECOMENDACIONES:

Leer la guía de práctica antes de realizar la práctica.

Cuidar los instrumentos del laboratorio; pues ellos son necesarios

para nuestras prácticas.

Cuidar que el estiramiento no sobre pase el límite elástico del resorte

Conviene computar el tiempo a partir de una posición que no sea un

extremo de una trayectoria.

VII. CONCLUSIONES

Para poder apreciar la situación en que los datos fueron tomados y en la

forma en que el fluido se comportan, se tomó sólo el promedio (valor

aproximado). Posteriormente se hicieron algunos gráficos y finalmente su

análisis:

A medida que el diámetro aumenta, la velocidad límite y la

viscosidad aumenta en conjunto, pero en un diámetro constante y

determinado.

Cuando la densidad aumenta, la velocidad límite disminuye.

Inconscientemente, se dice que mientras más denso es el fluido, la velocidad

límite de caída de la bola es menor, concluyendo que a medida que aumenta

la densidad, la viscosidad aumenta.

Al aumentar el diámetro de la bola, la velocidad límite aumenta.

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Estas importantes características observadas en el experimento

concuerdan con la fórmula de Stokes, dando como resumen los siguientes

supuestos físicos:

La viscosidad es inversamente proporcional a la velocidad límite.

La velocidad límite es directamente proporcional al diámetro de la

bola.

La velocidad límite es directamente proporcional a la densidad de un

fluido, para un cierto material (bola).

Si los tiempos se hubieran tomados con mayor precaución y además se

hubiera tomado el cruce de la bola sobre algunas de las marcas (inferiores o

superiores o ambas) con un sensor físico (como el sensor de tiempo

Photogate), la exactitud en la toma podría haber ocasionado una importante

disminución de los errores y por ende, obtener resultados idealmente

aceptables.

Para finalizar este informe, se deja claro en cuestión la importancia de

las propiedades fundamentales de los fluidos, siendo la viscosidad una de

las más destacadas.

En el caso del aceite (el fluido con menor error), se considera una gran

ventaja debido a que en el ámbito mecánico, el aceite cubre gran parte para

la protección de maquinarias en que se usan partes móviles, donde la

fricción tiene que ser mínima.

VIII. BIBLIOGRAFIA

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MEINERS, H, EPPENSTEIN: “EXPERIMENTOS DE FÍSICA” Edit. Limusa,

México 1970.

TIPLER, P : “FÍSICA GENERAL Y EXPERIMENTAL”

Edit Reverte, España 1993.

SERWAY, R : “FÍSICA” Tomo I. Edit. Mc Graw Hill. México

1993.

(*) : www.procesos.netfirms.com/informe/node9.html

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http://www.procesos.netfirms.com/informe/node9.html

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