LABORATORIOS EXPERIMENTALES DE MECANICA DE FLUIDOS

Informe presentado por:

ELLUZ ADRIANYS ESTRADA ZABALETA

LUIS MANUEL RODRIGUEZ ROMERO RAFAEL RICARDO JIMENEZ BRITO

JULIANA MARIN DE LA CRUZ FERNANDO RODRIGUEZ HERNANDEZ LUIS FELIPE GUTIERREZ CARRETERO

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL RIOHACHA – LA GUAJIRA

2012

LABORATORIOS EXPERIMENTALES DE MECANICA DE FLUIDOS

Informe presentado en la Asignatura Mecánica de Fluidos al Ingeniero:

MIGUEL PITRE REDONDO

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL RIOHACHA – LA GUAJIRA

2012

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION

1. LABORATORIOS DE MECANICA DE FLUIDOS.

1.1 DETERMINACION DE DENSIDADES, PESO ESPECÍFICO Y DENSIDAD

RELATIVA DE VARIOS FLUIDOS.

1.2 LEY DE STOKES.

1.3 PRINCIPIO DE ARQUIMEDES.

1.4 DETERMINACION DEL CENTRO DE PRESIONES SOBRE UNA

SUPERFICIE PLANA.

1.5 DETERMINACION DEL NUMERO DE REYNOLDS.

1.6 PERDIDAS DE ENERGIA EN CONDUCTOS A PRESION POR FRICCION Y

POR ACCESORIOS.

2. CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

INTRODUCCION

Por medio de este conjunto de experiencias el objetivo de nosotros como

estudiantes es, por un lado tomar mediciones bastante aproximadas de las

propiedades de los fluidos que utilizamos en nuestro curso de mecánica de fluidos

así como comprobar los criterios científicos con datos empíricos tomados de

experimentos especialmente diseñados como la observación del empuje en el

principio de Arquímedes, la determinación de los números de Reynolds,

calibración de medidores de flujo entre otros temas fundamentales pero no menos

importantes.

Esperamos que dicha experiencia sea de su agrado y para su uso, brindando con

ello conceptos primordiales en la mecánica de los fluidos y la forma experimental

de dicha materia en mención.

1. LABORATORIOS DE MECANICA DE FLUIDOS

1.1 DETERMINACION DE DENSIDADES, PESO ESPECÍFICO Y DENSIDAD

RELATIVA DE VARIOS FLUIDOS.

INTRODUCCION

Dentro de la mecánica de fluidos encontramos una amplia diversidad de

propiedades físicas y químicas de los fluidos, en esta experiencia se conocerá una

de las principales propiedades que ayudaran a la continuación y determinación del

comportamiento de las sustancias que se trabajaran mas adelante.

Con esta práctica buscamos determinar la densidad absoluta y el peso específico

de los diferentes fluidos teniendo en cuenta la temperatura, presión atmosférica y

densidad relativa tomada experimentalmente.

MARCO TEORICO

Densidad específica o absoluta

La densidad es la masa por unidad de volumen,

Donde m: masa en Kg, SI

V: volumen en m3

La densidad absoluta es función de la temperatura y de la presión. La variación de

la densidad absoluta de los líquidos es muy pequeña, salvo a muy altas presiones.

Ecuación de dimensiones: [ ][ ]-3

Unidad en el SI:

La densidad del agua destilada a la presión atmosférica de 4°C es máxima e igual

aproximadamente a:

PESO ESPECÍFICO

Es el peso por unidad de volumen,

Donde W: peso en N, SI

V: volumen m3, SI

El peso específico es función de la temperatura y de la presión aunque en los

líquidos no varía prácticamente en esta última.

Ecuación de dimensiones:

[ ] [ ]

[ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]

Unidad en el SI:

Como W=m.g, se deduce que

DENSIDAD RELATIVA

Densidad relativa es la relación entre la masa de un mismo volumen de agua

destilada a la presión atmosférica y 4°C. En virtud de la ecuación , esta

relación es igual a la de los pesos específicos del cuerpo en cuestión y del agua

en las mismas condiciones. Es evidente que la densidad relativa es una magnitud

adimensional.

La densidad relativa es función de la temperatura y la presión.

La densidad relativa del agua a una temperatura determinada es la densidad

absoluta del agua a esa misma temperatura dividida por la densidad del agua a

4°C (densidad máxima).

La densidad de un líquido se mide muy fácilmente con el hidrómetro. Esta consiste

en un flotador lastrado de peso W, que se sumerge en una probeta llena del

líquido cuya densidad se requiere medir. Se basa en el principio de Arquímedes.

El flotador se hundirá más en el liquido de menor densidad y desalojará mas

líquido. Según la primera ley de Newton el peso P del líquido del líquido

desalojado por el flotador (igual al empuje hacia arriba, según el principio de

Arquímedes) deberá ser igual al peso del flotador, W.

Se tiene, pues:

Donde P: Peso del líquido desalojado por el flotador.

: Densidad del líquido.

V: Volumen del liquido desalojado.

P=W (condición de equilibrio)

m es la masa del flotador, una constante del aparato, y V el volumen desalojado

correspondiente a la división de la varilla del flotador, que enrasa con el líquido.

Como m es constante, estas divisiones pueden estar graduadas directamente en

densidades. Para crear una gran variación de inmersión para pequeñas

variaciones de densidad y hacer así el instrumento más sensible, se procura que

los cambios de inmersión en el flotador tengan lugar en la varilla delgada

graduada.

MATERIALES Y EQUIPOS

- Hidrómetro

- Probetas

- Agua

- Glicerina

- Aceite Castrol HD 30

- Aceite Castrol HD 40

- Aceite Ultra Sae 50

- Aceite de ricino

- Miel

METODOLOGIA

Con el hidrómetro registre las densidades de cada uno de los fluidos contenidos

en las diferentes probetas, exceptuando la glicerina que se deberá tomar con un

hidrómetro distinto. Mida la temperatura ambiente de cada uno de los diferentes

fluidos.

Registre la presión barométrica del ambiente.

Calcule las densidades absolutas y pesos específicos a cada uno de los fluidos

en el laboratorio.

RESULTADOS

FLUIDO DENSIDAD

ABSOLUTA Kg/m3 PESO ESPECIFICO

N/m3

Agua 1, 188 11,65

Glicerina 1,485 14,55

Castro HD 30 1,028 10,07

Castro HD 40 1,036 10,15

Ursa Sae 50 1,058 10,36

CONCLUSIONES

Al finalizar la anterior practica experimental podemos concluir a cabalidad que la

densidad absoluta, relativa y el peso especifico de un fluido cualquiera, es de

vital importancia en el análisis y la conceptualización de la mecánica de los

mismos.

1.2 LEY DE STOKES

INTRODUCCION

Sobre todo cuerpo que se mueve en un fluido viscoso actúa una fuerza resistente

que se opone al movimiento. La ley de Stokes relaciona la velocidad terminal de

un cuerpo esférico sumergido en un fluido y en presencia de un campo

gravitatorio, con su masa y su radio, y con la densidad y la viscosidad del fluido en

el cual la masa esta sumergida. Un cuerpo alcanza la velocidad terminal cuando

no puede aumentar su velocidad al anularse la fuerza gravitatoria con la fuerza

resistiva del medio; así queda en un estado de movimiento uniforme.

Esta práctica tiene como objetivo encontrar mediante la ley de Stokes, los valores

de la viscosidad dinámica de dos fluidos determinados, teniendo en cuenta, el

principio de sumergencia y empuje hidrostático.

MARCO TEORICO

El flujo alrededor de las esferas tiene una considerable importancia, ya que las

esferas se utilizan como sustituto de partículas de formas irregulares que incluyen

transportes de sedimentos, reactores de lechos fluidizados, polvo en la atmosfera

y contaminación atmosférica, así como procesos de plantas de tratamientos de

aguas residuales. El flujo y arrastre fueron calculados originalmente por Stokes en

1851 con una elaboración en mecánica de fluidos adicional, reportada por

Schlichting. La solución exacta más elemental se obtiene suponiendo un flujo

permanente muy lento con un numero de Reynolds (Db V/v) basado en el diámetro

de una esfera equivalente a Db (basado en la conservación de volumen) menor

que uno. Esa suposición asegura que las líneas de corrientes muy cercanas a la

superficie de las esferas permanecen unidas o siguen la forma de estas. Si el flujo

alrededor de la esfera es horizontal, entonces se puede considerar que las fuerzas

gravitacionales no son importantes y las fuerzas de Navier Stokes.

ARRASTRE TOTAL DE CUERPOS TRIDIMENCIONALES

Si una esfera cae dentro de un fluido de extensión infinita (extensión del fluido

mucho mayor que el del diámetro de la esfera), al establecerse la velocidad final V

en movimiento permanente, la fuerza de flotación y de arrastre son iguales a las

fuerzas de peso de la misma; esto es, para Re<0,1 (numero de Reynolds) se

aplica la ley de Stokes

Entonces, si la velocidad final de caída es V, ϒf y ϒs los pesos específicos de

fluidos y esferas, respectivamente, además de conocerse el diámetro de la misma,

y la viscosidad del fluido resulta:

( )

( )

La ecuación anterior proporciona un método muy simple para medir la viscosidad

dinámica del fluido, que es de extensión finita.

VISCOSIDAD ABSOLUTA

La viscosidad de un fluido es una propiedad importante en el estudio del flujo de

fluidos.

La viscosidad es aquella propiedad del fluido mediante la cual este ofrece

resistencia al esfuerzo cortante.

La viscosidad de un gas se incrementa con la temperatura mientras q la de un

liquido disminuye. Estas variaciones causadas por la temperatura pueden

explicarse examinando las causas de la viscosidad. La resistencia de un fluido al

corte depende de su cohesión y de las tasas de transferencias de momento

molecular. Un líquido, con moléculas mucho más cercanas que un gas, tiene

fuerzas cohesivas mayores que las de un gas. Por consiguiente la cohesión

parece ser la causa predominante de la viscosidad en un líquido y puesto que

disminuye con la temperatura, la viscosidad también lo hace.

La actividad molecular causa un esfuerzo aparente en gases que es más

importante que el de las fuerzas cohesivas, y puesto que la actividad molecular se

incrementa con la temperatura, la viscosidad del gas también.

Para presiones ordinarias, la viscosidad es independiente de la presión y depende

únicamente de la temperatura. Para presiones muy grandes, los gases y la

mayoría de los líquidos muestran variaciones erráticas de la viscosidad con la

presión.

Un fluido en reposo en movimiento de tal manera que ninguna capa se mueve;

según newton el esfuerzo tangencial q se produce entre dos laminas separadas de

una distancia dy, y q se desplaza con una velocidad (v) y, vale el espacio.

De acuerdo con dicha ley, el esfuerzo tangencial es proporcional al gradiente

tangencial de velocidad. La constante de proporcionalidad es una magnitud

característica del fluido y se conoce como viscosidad dinámica o simplemente

viscosidad.

MATERIALES Y EQUIPOS

- Balín

- Probetas

- Aceite Ursa Sae HD 50

- Glicerina

- Balanza electrónica.

- Cronometro

- Cinta métrica.

METODOLOGIA

Mida el diámetro de un balín y registre su peso en gramos.

Deje caer el balín en el interior de un fluido determinado y mida el tiempo que

tomo este balín en recorrer los 25 cm de la probeta de distancia vertical al

interior del líquido.

Repita el mismo procedimiento para cinco balines más.

Calcule y concluya acerca de los resultados siguientes:

Convierta los valores tomados en el laboratorio a unidades

internacionales y calcule el peso y el volumen de cada balín.

Calcule la densidad y el peso específico de los balines.

Calcule la velocidad de caída (V).

Calcule el empuje hidrostático de cada balín.

Con el empuje hidrostático obtenido en el punto anterior y el peso del

balín, calcule la fuerza de viscosidad.

Calcules los valores de la viscosidad dinámica.

RESULTADOS

GLICERINA

Prueba de Caída Peso Esp. Glicerina

N/m3

Prueba Altura m

Tiempo Seg.

Velocidad m/s

14,55

1 0,317 0,99 0,32020202 14,55

2 0,317 1 0,317 14,55

3 0,317 1,06 0,299056604 14,55

4 0,317 1,42 0,223239437 14,55

5 0,317 1 0,317 14,55

6 0,317 2,94 0,107823129 14,55

7 0,317 1,48 0,214189189 14,55

8 0,317 1,15 0,275652174 14,55

Balines

Diámetro m

Volumen -m 3

Masa Kg

Peso N Densidad Kg/m3

Peso Esp. N/m3 Empuje N

0,0062 1,24788E-

07 0,00105 0,010301 8414,253813 82543,8299 1,8157E-06

0,0062 1,24788E-

07 0,00105 0,010301 8414,253813 82543,8299 1,8157E-06

0,0067 1,57479E-

07 0,00106 0,010399 6731,050282 66031,60326 2,2913E-06

0,005 6,54498E-

08 0,00045 0,004415 6875,493541 67448,59163 9,523E-07

0,0062 1,24788E-

07 0,00105 0,010301 8414,253813 82543,8299 1,8157E-06

0,0031 1,55985E-

08 0,00013 0,001275 8334,118062 81757,69819 2,2696E-07

0,00445 4,61401E-

08 0,00044 0,004316 9536,170804 93549,83558 6,7134E-07

0,0062 1,24788E-

07 0,00105 0,010301 8414,253813 82543,8299 1,8157E-06

ACEITE URSA SAE 50

Prueba de Caída

Prueba Altura m

Tiempo Seg.

Velocidad m/s

Peso Esp. Aceite N/m3

1 0,276 1,56 0,176923077 10,36

2 0,276 1,51 0,182781457 10,36

3 0,276 1,49 0,185234899 10,36

4 0,276 1 0,276 10,36

5 0,276 1,02 0,270588235 10,36

6 0,276 1,47 0,187755102 10,36

7 0,276 1,38 0,2 10,36

8 0,276 1,04 0,265384615 10,36

Viscosidad

Fuerza Dinámica Promedio

0,010298684 0,55042083 0,519626094

0,010298684 0,55598064

0,010396309 0,55052854

0,004413548 0,41954232

0,010298684 0,55598064

0,001275073 0,40475322

0,004315729 0,48042483

0,010298684 0,63937773

Σ 4,15700875

Balines

Diámetro m

Volumen m3 Masa Kg

Peso N Densidad

Kg/m3 Peso Esp.

N/m3 Empuje N

0,00445 4,61401E-08 0,00046 0,0045126 9969,633113 97802,10084 4,78012E-

07

0,0044 4,46022E-08 0,00044 0,0043164 9864,97581 96775,4127 4,62079E-

07

0,0044 4,46022E-08 0,00044 0,0043164 9864,97581 96775,4127 4,62079E-

07

0,0062 1,24788E-07 0,00106 0,0103986 8494,389563 83329,96162 1,29281E-

06

0,0062 1,24788E-07 0,00106 0,0103986 8494,389563 83329,96162 1,29281E-

06

0,0044 4,46022E-08 0,00044 0,0043164 9864,97581 96775,4127 4,62079E-

07

0,00445 4,61401E-08 0,00045 0,0044145 9752,901958 95675,96821 4,78012E-

07

0,0042 3,87924E-08 0,00105 0,0103005 27067,16719 265528,9101 4,01889E-

07

Viscosidad

Fuerza Dinámica Promedio

0,00451212 0,60808629 0,63783223

0,00431594 0,56940234

0,00431594 0,56186059

0,01039731 0,64468709

0,01039731 0,65758084

0,00431594 0,55431884

0,00441402 0,52622728

0,0103001 0,98049459

Σ 5,10265786

1.3 PRINCIPIO DE ARQUIMEDES

INTRODUCCION

En esta práctica sobre el principio de Arquímedes buscamos, determinar el

empuje hidrostático de un cilindro de masa considerable, mediante el principio de

Arquímedes y comprobar experimentalmente que el principio de Arquímedes se

cumple.

MARCO TEORICO

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza1 recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SIU). El principio de Arquímedes se formula así:

Donde E es el empuje , ρf es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales2 y descrito de modo simplificado3 ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

MATERIALES Y EQUIPOS

Balanza

Cilindro

Agua

Bucket

Beaker.

METODOLOGIA

Calibre la balanza y proceda a pesar el sistema (bucket y cilindro), y registre la

masa m1.

Introduzca el cilindro en un beaker lleno de agua y se toma una lectura m2

(estando el sistema aun sobre la balanza)

Retire el cilindro y pese solamente el bucket tomando una lectura m3.

Llene el bucket con agua fresca y péselo (lectura m4).

Realice los anteriores pasos cuatro veces y promedie lo resultados.

Promedie las masas obtenidas en kilogramos logrando con esto obtener el peso

de las masas de Newton.

Determine el empuje mediante el principio de Arquímedes (W1 – W2 = W3 – W4).

Concluya e identifique las aplicaciones del principio de Arquímedes en la

Ingeniería.

RESULTADOS

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

MASAS

N° de pruebas

M1 (gr)

M1 (kg)

M2 (gr)

M2(kg) M3 (gr)

M3(kg) M4 (gr)

M4(kg)

1 128 0,128 101 0,101 74 0,074 102 0,102

2 128 0,128 100 0,1 73 0,073 101 0,101

3 127 0,127 102 0,102 74 0,074 100 0,1

4 128 0,128 100 0,1 73 0,073 101 0,101

Σ 511 0,511 403 0,403 294 0,294 404 0,404

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

DEMOSTRACION DEL PRINCIPIO DEL ARQUÍMEDES

M1-M2(gr) M1-M2 (kg) M4-M3 (gr) M4-M3(kg)

27 0,027 28 0,028

28 0,028 28 0,028

25 0,025 26 0,026

28 0,028 28 0,028

PROMEDIO DE MASAS (GR)

PROMEDIO DE MASA

(GR)

PROMEDI DE MASA (KG)

PESO (N)

W1 127,75 0,12775 12

W2 100,75 0,10075 10

W3 73,5 0,0735 10

W4 101 0,101 8

EMPUJE=W1-W2

Gr 27

Kg 0,027

DIAMETRO (cm)

LONGITUD (cm)

AREA (cm2)

VOLUMEN BUCKET

(cm3)

RADIO (cm)

π

1,8 4,4 2,54469005 11,19663622 0,9 3,141592654

CONCLUSIONES

1. Cuando un cuerpo se sumerge en un fluido cuya densidad es menor, el objeto no sostenido se acelerará hacia arriba y flotará; en el caso contrario, es decir si la densidad del cuerpo sumergido es mayor que la del fluido, éste se acelerará hacia abajo y se hundirá.

2. Concluimos que es cierto que todos los cuerpos al estar sumergidos en un fluido experimentan una fuerza de empuje hacia arriba, por el principio de Arquímedes analizado en el laboratorio, pues los fluidos ejercen resistencia al sólido sumergido en ellos para equilibrar el sistema

3. En toda práctica experimental es necesario repetir el procedimiento varias veces para lograr una mayor precisión y exactitud, sin embargo, como todo experimento implica un margen de error es imposible lograr los resultados de un sistema teórico e ideal.

4. Gracias al principio de Arquímedes es posible calcular el volumen de los cuerpos irregulares, si necesidad de fundirlos para transformarlos en figuras regulares.

5. Dada las variables recogidas en la práctica pudimos establecer los pesos aparentes, la densidad, las masas aparentes, los volúmenes de los cilindros utilizados en el laboratorio #1

6. En este laboratorio pudimos afianzar satisfactoriamente los conceptos de peso, peso aparente, fuerza de empuje, volumen desplazado, densidad de una sustancia.

1.4 DETERMINACION DEL CENTRO DE PRESION SOBRE UNA SUPERFICIE

PLANA

INTRODUCCION

En la naturaleza encontramos una serie de fenómenos que suceden a diario y que en algunas ocasiones pasan desapercibidos para nuestros ojos. Él poder comprender de manera más amplia estos fenómenos nos ayuda a entender mejor como se comportan algunas fuerzas que entran en acción bajo ciertas circunstancias.

Lo que se pretende en este laboratorio en precisamente analizar el comportamiento de las fuerzas que ejercen los líquidos sobre algunos sólidos que manipularemos de manera experimental.

OBJETIVO

Determinar experimentalmente la posición del centro de presión sobre un

superficie plana sumergida en un fluido.

Aplicar y afianzar los conceptos de presión hidrostática.

MATERIALES Y EQUIPOS

Pesas de diferentes masas.

Nivel de burbuja.

Toroide de plástico.

Tanque de agua.

Medidor de nivel de agua.

METODOLOGIA

Eleve la altura del agua hasta la arista mas baja del toroide y coloque el valor

del medidor de niveles en cero, sin colocar ninguna pesa en la balanza y

manteniendo nivelado el sistema.

Llene el recipiente hasta que la lectura de agua cubra toda la superficie plana

del toroide.

Coloque las pesas de masas conocidas para nivelar la balanza hasta que el

sistema este en equilibrio.

Mida la altura del agua y la masa colocada en la balanza.

RESULTADOS

D1 (mm) D1 (cm) D1 (m) M (grs)

191,1 1,911 0,1911 631

173,1 1,731 0,1731 600

160,1 1,601 0,1601 400

138,2 1,382 0,1382 270

127,3 1,273 0,1273 260

116,5 1,165 0,1165 333

184,1 1,841 0,1841 500

Pesas X=D1-22 Presion Y'' H práctico H teorico % Error ß

(Kg) (m) (Kg/m2) (m) (m) (m)

0,631 -0,0289 93,81 0,1411 0,1548 0,1439 7,57 0,02859

0,6 -0,0469 81,74 0,1231 0,1348 0,1264 6,64 0,02491

0,4 -0,0599 73,64 0,1101 0,1228 0,1138 7,91 0,02244

0,27 -0,0818 60,09 0,0882 0,1011 0,0928 8,94 0,1831

0,26 -0,0927 52,72 0,0773 0,0895 0,083 7,83 0,01607

0,333 -0,1035 45,36 0,0665 0,0778 0,0726 7,13 0,01383

0,5 -0,0359 88,37 0,1341 0,1453 0,1371 5,98 0,02693

1.5 DETERMINACION DEL NUMERO DE REYNOLDS

INTRODUCCION

Es importante conocer la estructura interna del régimen de un fluido en

movimiento ya que esto nos permite estudiarlo detalladamente definiéndolo en

forma cuantitativa. Para conocer el tipo de flujo en forma cuantitativa se debe tener

en cuenta el número de Reynolds. Este análisis es importante en los casos donde

el fluido debe ser transportado de un lugar a otro. Como para determinar las

necesidades de bombeo en un sistema de abastecimiento de agua, deben

calcularse las caídas de presión ocasionadas por el rozamiento en las tuberías, en

un estudio semejante se lleva a cabo para determinar el flujo de salida de un

reciente por un tubo o por una red de tuberías. Los diferentes regímenes de flujo y

la asignación de valores numéricos de cada uno fueron reportados por primera vez

por Osborne Reynolds en 1883. Reynolds observo que el tipo de flujo adquirido

por un líquido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido,

el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido.

Cuando un líquido fluye en un tubo y su velocidad es baja, las moléculas se

mueven en capas concéntricas paralelas a lo largo del eje del tubo; a este régimen

se le conoce como “flujo laminar”.

Conforme aumenta la velocidad y se alcanza la llamada “velocidad crítica”, el flujo

se dispersa hasta que adquiere un movimiento de torbellino en el que se forman

corrientes cruzadas y remolinos; a este régimen se le conoce como “flujo

turbulento”. El paso de régimen laminar a turbulento no es inmediato, sino que

existe un comportamiento intermedio indefinido que se conoce como “régimen de

transición”.

Si se inyecta una corriente muy fina de algún líquido colorido en una tubería

transparente que contiene otro fluido incoloro, se pueden observar los diversos

comportamientos del líquido conforme varía la velocidad.

Cuando el fluido se encuentra dentro del régimen laminar (velocidades bajas), el

colorante aparece como una línea perfectamente definida, cuando se encuentra

dentro de la zona de transición (velocidades medias), el colorante se va

dispersando a lo largo de la tubería y cuando se encuentra en el régimen

turbulento (velocidades altas) el colorante se difunde a través de toda la corriente.

Y esperamos mediante la práctica determinar experimentalmente el número de

Reynolds para un fluido en tubo corto a descarga libre. Y Observar el perfil

parabólico y la tubería para regímenes de flujos determinados.

MARCO TEORICO

El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica

de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el

movimiento de un fluido. Este número recibe su nombre en honor de Osborne

Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883.

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión

típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos

problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional

aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda

considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de

Reynolds grande).

Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de

Reynolds viene dado por:

o equivalentemente por:

donde:

: Densidad del fluido

: Velocidad característica del fluido

: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud

característica del sistema

: Viscosidad dinámica del fluido

: Viscosidad cinemática del fluido

Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este caso

es la relación entre los términos convectivos y los términos viscosos de las

ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos.

Por ejemplo, un flujo con un número de Reynolds alrededor de 100.000 (típico en

el movimiento de una aeronave pequeña, salvo en zonas próximas a la capa

límite) expresa que las fuerzas viscosas son 100.000 veces menores que las

fuerzas convectivas, y por lo tanto aquellas pueden ser ignoradas. Un ejemplo del

caso contrario sería un cojinete axial lubricado con un fluido y sometido a una

cierta carga. En este caso el número de Reynolds es mucho menor que 1

indicando que ahora las fuerzas dominantes son las viscosas y por lo tanto las

convectivas pueden despreciarse. Otro ejemplo: En el análisis del movimiento de

fluidos en el interior de conductos proporciona una indicación de la pérdida de

carga causada por efectos viscosos.

Además el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar

en ciertos casos. En conductos o tuberías (en otros sistemas, varía el

Reynolds límite):

Si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de

4000 el flujo será turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las

cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación.

Según otros autores:

Para valores de el flujo se mantiene estacionario y se comporta

como si estuviera formado por láminas delgadas, que interactúan sólo en función

de los esfuerzos tangenciales existentes. Por eso a este flujo se le llama flujo

laminar. El colorante introducido en el flujo se mueve siguiendo una delgada línea

paralela a las paredes del tubo.

Para valores de la lìnea del colorante pierde estabilidad

formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin

embargo delgada. Este régimen se denomina de transición.

Para valores de , después de un pequeño tramo inicial con

oscilaciones variables, el colorante tiende a difundirse en todo el flujo. Este

régimen es llamado turbulento, es decir caracterizado por un movimiento

desordenado, no estacionario y tridimensional.

MATERIALES Y EQUIPOS

Aparato de Reynolds.

Probeta.

Cronometro.

Termómetro.

Cubetas de agua.

Tinte.

Manguera.

Agua del grifo.

METODOLOGIA

Haga circular el agua en el aparato de Reynolds y mida la temperatura de la

misma.

Regule el caudal del líquido que desciende por el tubo con la ayuda de la válvula.

Abra la segunda válvula permitiendo liberal el tinte, observe el flujo, y clasifíquelo

dependiendo de las características que presente.

Obtenga el volumen que recorre el flujo en periodo de tiempo determinado, este

procedimiento realícelo para distintos flujos.

RESULTADOS

PRUEBA FLUJO

NUMERO RÉGIMEN VOLUMEN

M3 TIEMPO

S CAUDAL

M3/S

1 Laminar

0,00025 50,22 4,9781E-

06

2 0,00028 58,5 4,78632E-

06

3 Transición

0,00065 18,18 3,57536E-

05

4 0,00069 19,05 3,62205E-

05

5 Turbulento

0,00064 7 9,14286E-

05

6 0,00076 8,51 8,93067E-

05

PRUEBA

NUMERO DE REYNOLDS

NUMERO

RÉGIMEN DIÁMETRO

M AREA DE FLUJO M2

VELOCIDAD

VISCOSIDAD CIN.

M2/S NUMERO RE

1 Laminar

0,013 0,000132732 0,0375048 0,804 0,000606421

2 0,013 0,000132732 0,03606 0,804 0,00058306

3 Transición

0,013 0,000132732 0,26936613 0,804 0,004355422

4 0,013 0,000132732 0,27288371 0,804 0,004412299

5 Turbulento

0,013 0,000132732 0,68881951 0,804 0,011137629

6 0,013 0,000132732 0,67283339 0,804 0,010879147

CONCLUSIONES

Al finalizar esta prueba de práctica de laboratorios de mecánica de fluidos

podemos concluir:

1. Que el número de Reynolds es utilizado para conocer el régimen de un fluido.

2. Que dependiendo el área de flujo y la velocidad del fluido podemos conocer el

diámetro de la tubería empleada y si existe un accesorio en la misma.

3. El volumen de los líquidos depende del tipo de flujo el caudal y el tiempo del

mismo.

4. El número de Reynolds es un número a dimensional muy importante en la práctica, con este podemos caracterizar la naturaleza de escurrimiento de un fluido, el sentido físico de este número es muy útil al diseñar tuberías convencionales, la experiencia realizada nos permitió asimilar de manera clara y directa, los conceptos y aplicaciones del número de Reynolds.

5. Los resultados obtenidos coinciden a la perfección con las observaciones realizadas durante la práctica, donde una delgada línea de tinta china roja en el tubo denotaba un flujo laminar, mientras que vórtices de tinta indicaban un régimen turbulento.

1.6 PERDIDAS DE ENERGIA EN CONDUCTOS A PRESION POR FRICCION Y

POR ACCESORIOS

INTRODUCCION

El método más común para transportar un flujo es impulsarlo por un sistema de

tuberías. Las tuberías que podemos encontrar frecuentemente son las de sección

circular, ya que ofrecen mayor resistencia estructural y mayor sección transversal.

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo,

ocurren pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el liquido y la pared

de la tubería; estas energías traen como resultado una disminución de la presión

entre dos puntos del sistema de flujo. Cuando se presentan tuberías con gran

longitud las perdidas por fricción y accesorios se hacen significativas, por lo que

ha sido objeto de investigaciones teórico experimental para llegar a soluciones

satisfactorias de fácil aplicación.

Las pérdidas de energía menores o por accesorios solo se pueden determinar de

forma experimental. Mediante esta práctica buscamos determinar

experimentalmente las perdidas de energía por fricción en conductos a presión de

acuerdo al régimen de flujo y al tipo de accesorio utilizado.

MATERIALES Y EQUIPOS

Cronometro.

Bomba de succión.

Tanque de almacenamiento.

Manómetro.

Tanque aforado.

Sistema de tuberías.

METODOLOGIA

Encienda la bomba del sistema.

Seleccione cinco sistemas a experimentar haciendo circular el flujo por el

sistema seleccionado.

Calcule la velocidad como caudal y coeficiente de fricción.

Midan (∆h). En columna de agua.

Con los datos obtenidos calcule las pérdidas teóricas del sistema y compárela

con las obtenidas experimentalmente.

RESULTADOS

ACCESORIO

LEC. MANOMETRO (cm) ∆h

(cm) Ninicial

(cm) TIEMPO

(sg) lfinal

(cm) htanque (cm)

ENTRADA SALIDA

Codo 45° 92 203 111 210 9.58 290 80

Codo 180° tramo largo

70 225 155 290 9.49 348 58

Codo 180° tramo corto

60.8 188.2 127.4 150 9.77 212 62

Válvula de globo 53.5 196.2 142.7 200 9.63 249 49

válvula de compuerta 84.5 165 80.5 249 10.06 348 99

T paso directo 87 162.6 75.6 200 10.16 206 6

T de derivación 66.5 182.4 115.9 172 9.47 248 76

Codo de 90° radio corto

62.5 183.6 121.1 248 9.65 312 64

Codo de 90° radio largo

73.1 176.3 103.2 198 10.11 281 83

ACCESORIO NUMERO L (m) K

Codo 45° 12 3.11 0.2

Tubería recta 3.03

Codo 180° tramo largo

4 14.79 0.6

Codo 180° tramo corto

16 7.64 1

Válvula de globo 5 2.7 4.9

válvula de compuerta 5 2.76 0.1

T paso directo 6 2.77 0.3

T de derivación 4.44 1

Codo de 90° radio corto

12 4.44 0.5

Codo de 90° radio largo

12 4.25 0.3

TUBERIA RECTA

TEMP. (°C)

LEC. MANOMETRO (cm) ∆h

(cm) Ninicial

(cm) TIEMPO

(sg) lfinal

(cm) htanque (cm) ENTRA

DA SALIDA

LAMINAR 28.5 147.2 147.5 0.3 89 25.77 92 3

TURBULENTO 29 106 188 82 114 8.89 210 96

TUBERIA O ACCESORIO

Vmedio cm3

Q cm3/seg

Vel cm3/s

g Re f

hf cm

hacc Ht cm

TUBERIA RECTA

Laminar 2250 87.31 0.12 18.80 3.4 0.00

1 0.001

Turbulento 72000 8098.98 10.8 1691.6 0.04 0.56 0.56

Codo 45° 60000 6263.04 8.35 1307.8

6 0.05 0.43 0.01 0.44

Codo 180° tramo largo

43500 4583.77 6.11 955.44 0.07 1.56 0.01 1.57

Codo 180° tramo corto

46500 4759.46 6.35 994.6 0.06 0.73 0.02 0.75

Válvula de globo 30750 3193.14 4.26 667.24 0.1 0.19 0.05 0.24

válvula de compuerta

74250 7380.71 9.84 1541.2

3 0.05 0.52 0.005 0.53

T paso directo 450000 442.91 0.59 92.41 0.69 0.03 53x10

-6 0.03

T de derivación 57000 6019.01 8.02 1256.1

7 0.00

5 0.56 0.03 0.59

Codo de 90° radio corto

48000 4974.09 6.63 1038.4

6 0.06 0.46 0.01 0.47

Codo de 90° radio largo

62250 6157.27 8.21 1285.9

3 0.05 0.56 0.01 0.57

CONCLUSIONES

1. Finalizado el experimento y tomando en consideración los resultados de las

pérdidas de carga generadas por los accesorios se concluye que al aumentar

el caudal, las pérdidas se hacen mayores, estableciéndose una relación

directamente proporcional.

2. Se cumplieron los objetivos propuestos para esta práctica, al tener la

capacidad de realizar los cálculos para la determinación del factor de fricción

en tuberías de diferentes diámetros a través de los datos obtenidos en el

laboratorio.

CONCLUSIONES GENERALES

Al finalizar dicha práctica experimental de mecánica de fluidos podemos sintetizar

que dicha práctica fue fundamental en el análisis y logramos cumplir los objetivos

propuestos al comenzar dicha experiencia.

Nuestra asimilación de estas prácticas lograron fundar en nuestras mentes un

espíritu investigador, calculador y practico de los fluidos y su mecanismo.