PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

1) INTRODUCCIÓN

La Mecánica de Fluidos estudia las leyes del movimiento de los fluidos y sus procesos de

interacción con los cuerpos sólidos. La Mecánica de Fluidos como hoy la conocemos es

una mezcla de teoría y experimento que proviene por un lado de los trabajos iniciales de

los ingenieros hidráulicos, de carácter fundamentalmente empírico, y por el otro del

trabajo de básicamente matemáticos, que abordaban el problema desde un enfoque

analítico. Al integrar en una única disciplina las experiencias de ambos colectivos, se evita

la falta de generalidad derivada de un enfoque estrictamente empírico, válido únicamente

para cada caso concreto, y al mismo tiempo se permite que los desarrollos analíticos

matemáticos aprovechen adecuadamente la información experimental y eviten basarse

en simplificaciones artificiales alejadas de la realidad.

En esta práctica se estudió la viscosidad de los fluidos, para esto hicimos uso de un

viscosímetro y de varios fluidos, a los que tuvimos que estudiar

2) OBJETIVOS:

A.- GENERAL

Determinar la viscosidad de diferentes fluidos estudiados en la práctica.

B.- ESPECÍFICOS

Utilizar el viscosímetro como instrumento principal para calcular la viscosidad de

los fluidos.

Comparar la viscosidad de los diferentes fluidos utilizados para esta práctica.

Entender la diferencia que existe entre los fluidos estudiados.

3) JUSTIFICACIÓN:

Conocer la viscosidad de un fluido resulta muy importante para darse una idea clara del

comportamiento que este tendrá ante diferentes circunstancias y además las

características de este.

Es por eso que resulta importante realizar esta práctica, ya que así podemos determinar

de una forma sencilla las viscosidades de los fluidos que estudiamos.

4) ALCANCES:

Se utilizaron viscosímetros para la práctica de viscosidad.

Se determinaron las viscosidades de cuatro fluidos, los cuales son: Aceite SAE 30

(para gasolinero), Aceite 15 w 40 (para petrolero), Ketchup y Aceite de cocina.

5) REVISIÓN DE LITERATURA:

A.- Fluidos

En general, podemos decir que la materia se encuentra en tres fases: sólida, líquida o

gaseosa. Los sólidos y líquidos tienen ciertas propiedades en común; por ejemplo, son

relativamente incompresibles y su densidad permanece relativamente constante al

cambiar la temperatura. Los gases, en cambio, son fácilmente compresibles, y su densidad

cambia considerablemente con la temperatura si mantenemos constante la presión.

El término fluido proviene del verbo latino “fluere” (fluir). Los fluidos fluirán, por ejemplo,

para adoptar la forma del contenedor donde se encuentran. Los líquidos como el agua no

son capaces de producir fuerzas de reacción ante las fuerzas aplicadas en direcciones

arbitrarias. En un reducido margen, los líquidos pueden soportar fuerzas tensiles, pero no

pueden soportar las fuerzas de cizallamiento, las cuales provocan que las moléculas del

líquido fluyan en dirección de la fuerza.

B.- Viscosidad

La viscosidad es una propiedad de un fluido que indica la fricción interna, podemos

imaginar que el flujo está dividido en capas paralelas y la viscosidad actúa no sólo entre el

fluido y la placa de arriba, sino entre todas sus capas y las adyacentes. Cuando más viscoso

es un fluido, tanto mayor es la fuerza que se requiere para hacer que una capa del fluido

se deslice por otra. La viscosidad es lo que evita que los objetos se muevan libremente a

través de un fluido o que estos fluyan con libertad en un tubo. La viscosidad de los gases

es menor que la de los líquidos y la del agua y los aceites ligeros es menor que la de la miel

y los aceites pesados. La experiencia del lector con líquidos como los aceites de motor y el

almíbar le indica que la viscosidad aumenta con la disminución de la temperatura.

C.- Viscosímetro

El viscosímetro es un instrumento de medición y control de viscosidad que es

indispensable en el control de calidad de innumerables productos. Existen diferentes tipos

de viscosímetros, por ejemplo: los viscosímetros capilares, los giratorios, los de cilindros

concéntricos, entre otros.

6) METODOLOGÍA Y RESULTADOS:

A.- Materiales y Equipo:

Cronómetro digital

Aceite SAE 30

Aceite 15 w 40

Kétchup

Aceite de cocina

Wincha

Transportador

Termómetro

Vernier

Gasolina

Franela o papel (para limpiar el equipo)

Viscosímetro

B.- Procedimiento:

Los materiales y el equipo que se utilizaron se colocaron en un lugar donde el

trabajo se pudo realizar sin inconvenientes.

Con ayuda del vernier y la wincha se tomaron medidas de las diferentes partes del

viscosímetro.

Escogimos 3 ángulos diferentes de trabajo para cada fluido.

Para cada ensayo se impregno con el fluido la plancha de acero.

Se encontró el espesor de la capa del fluido impregnado.

Se midió la distancia que iba a recorrer el peso sobre la plancha.

Para cada ensayo se dejó resbalar el peso sobre la plancha 7 veces, en cada una de

las cuales se anotó el tiempo que este tardaba en recorrer la distancia medida

anteriormente.

Después de realizar los ensayos con un fluido se limpió el equipo con gasolina, para

no dejar residuos de este y para poder utilizarlo en otros ensayos con un fluido

diferente.

Nos ayudamos de los datos obtenidos para calcular la viscosidad de cada fluido.

Datos obtenidos:

Del viscosímetro:

Aceite SAE 30:

Ángulo20 30 40

t1 0.99 0.53 0.522 1.11 0.92 0.533 1.19 0.61 0.444 0.85 0.72 0.455 0.97 0.53 0.536 0.86 0.67 0.397 0.94 0.62 0.61

Promedio 0.987 0.657 0.496

Aceite 15 w 40:

Ángulo15 30 45

t1 2.87 0.45 0.552 2.48 0.79 0.63 2.18 0.45 0.564 2.37 0.62 0.565 2.13 0.54 0.496 2.15 0.66 0.547 2.24 0.53 0.61

Promedio 2.346 0.577 0.559

Kétchup:

Ángulo25 35 45

t1 0.88 0.49 0.392 0.88 0.52 0.443 0.93 0.7 0.444 0.97 0.57 0.465 1.01 0.45 0.436 0.9 0.48 0.327 0.75 0.49 0.48

Promedio 0.903 0.529 0.423

Aceite de cocina:

Ángulo15 20 25

1 0.97 0.41 0.472 0.75 0.57 0.373 0.86 0.62 0.454 0.87 0.7 0.45 0.84 0.5 0.656 0.88 0.63 0.497 0.95 0.4 0.62

Promedio 0.874 0.547 0.493

7) RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

A.- Peso de la parte móvil del viscosímetro:

Al no contar con una balanza a nuestra disposición, calculamos el peso móvil, utilizando su

volumen y la densidad del material en que está hecho, en este caso acero.

Tenemos:

Densidad del acero (ρ) = 7.86 g/cm3

El volumen de la plancha móvil viene a ser: 10*2*.3(3+2.8-.3+3.2)

Volumen de la plancha móvil = 52.2 cm3 (aproximadamente)

Con estos datos podemos calcular fácilmente la masa del bloque móvil, utilizando la

siguiente fórmula:

ρ=mv

Dónde: m = masa; v = volumen

Entonces tenemos: m=ρ∗v

Así tenemos que m = 410.3 g

Para el cálculo del peso se multiplica por la gravedad, entonces peso (W = 402504.3 dinas)

B.- Velocidades promedio en cada ensayo:

Estas velocidades las calcularemos con ayuda de la distancia recorrida y el tiempo

empleado para recorrerla. Tenemos que la distancia recorrida es: 39.6 cm

Para encontrar la velocidad se utiliza la fórmula siguiente:

v=distanciatiempo

Aceite SAE 30:

Ángulo20 30 40

t1 0.99 0.53 0.522 1.11 0.92 0.533 1.19 0.61 0.444 0.85 0.72 0.455 0.97 0.53 0.536 0.86 0.67 0.397 0.94 0.62 0.61

Promedio 0.987 0.657 0.496L (cm) 39.6 39.6 39.6

v (cm/s)40.1157742

460.260869

679.884726

2

Aceite 15 w 40:

Ángulo15 30 45

t1 2.87 0.45 0.552 2.48 0.79 0.63 2.18 0.45 0.564 2.37 0.62 0.565 2.13 0.54 0.496 2.15 0.66 0.547 2.24 0.53 0.61

Promedio 2.346 0.577 0.559x (cm) 39.6 39.6 39.6v (cm/s) 16.8818514 68.6138614 70.8951407

Kétchup:

Ángulo25 35 45

t1 0.88 0.49 0.392 0.88 0.52 0.443 0.93 0.7 0.444 0.97 0.57 0.465 1.01 0.45 0.436 0.9 0.48 0.327 0.75 0.49 0.48

Promedio 0.903 0.529 0.423x (cm) 39.6 39.6 39.6

v (cm/s)43.8607594

974.918918

993.648648

6

Aceite de cocina:

Ángulo15 20 25

t1 0.97 0.41 0.472 0.75 0.57 0.373 0.86 0.62 0.454 0.87 0.7 0.45 0.84 0.5 0.656 0.88 0.63 0.497 0.95 0.4 0.62

Promedio 0.874 0.547 0.493x (cm) 39.6 39.6 39.6v (cm/s) 45.2941176 72.3759791 80.3478261

C.- Cálculo de la fuerza para cada ensayo:

La fuerza que está siendo aplicada depende del ángulo de inclinación de la plancha y del

peso del bloque móvil.

Entonces para encontrar la fuerza se aplica la siguiente fórmula:

F=W∗Sen (θ )

Dónde:

F = Fuerza

W = Peso

Θ = Ángulo de inclinación de la plancha metálica.

Aceite SAE 30:

Ángulo 20 30 40Peso (Dinas) 402504.3 402504.3 402504.3Fuerza (Dinas)

137664.5784 201252.15

258724.777

Aceite 15 w 40:

Ángulo 15 30 45Peso (Dinas) 402504.3 402504.3 402504.3Fuerza (Dinas) 104175.779 201252.15 284613.52

Kétchup:

Ángulo 25 35 45Peso (Dinas) 402504.3 402504.3 402504.3Fuerza (Dinas)

170105.6676

230866.982 284613.52

Aceite de cocina:

Ángulo 15 20 25Peso (Dinas) 402504.3 402504.3 402504.3Fuerza (Dinas) 104175.779 137664.578 170105.668

D.- Cálculo del área de contacto:

Esta área se refiere a la que está en contacto entre las dos placas, la móvil y la fija,

entonces tenemos:

A = 2(a)(b) + 2(c)(b) = 76 cm2

E.- Cálculo de la viscosidad de los fluidos:

Este cálculo se lleva a cabo, aplicando la siguiente fórmula:

τ=µ∗vy

Dónde:

τ = Esfuerzo cortante (F/A)

µ = Viscosidad absoluta o dinámica

v = Velocidad

y = Espesor de la película del fluido

Despejando, la viscosidad resulta de la siguiente manera:

µ=

FA

∗y

v

Aceite SAE 30:

Fuerza (Dinas) 137664.5784

201252.15 258724.777

Área (cm^2) 76 76 76Y (cm) 0.089 0.09 0.087

Velocidad (cm/s) 40.11577424

60.2608696

79.8847262

Viscosidad (g/cm.s) 4.018680178

3.95488675

3.7074895

Visc. Prom. 3.893685477

Aceite 15 w 40:

Fuerza (Dinas) 104175.779 201252.15 284613.52Área (cm^2) 76 76 76

Y (cm) 0.05 0.06 0.05Velocidad (cm/s) 16.8818514 68.6138614 70.8951407

Viscosidad (g/cm.s) 4.05978555 2.31561485 2.64116461

Visc. Prom. 3.005521672

Kétchup:

Fuerza (Dinas) 170105.6676

230866.982

284613.52

Área (cm^2) 76 76 76Y (cm) 0.06 0.065 0.063

Velocidad (cm/s) 43.86075949

74.9189189

93.6486486

Viscosidad (g/cm.s) 3.061824502

2.63554289

2.51930628

Visc. Prom. 2.738891223

Aceite de cocina:

Fuerza (Dinas) 104175.779 137664.578 170105.668Área (cm^2) 76 76 76

Y (cm) 0.075 0.04 0.05Velocidad (cm/s) 45.2941176 72.3759791 80.3478261

Viscosidad (g/cm.s) 2.26972176 1.00109238 1.39283947Visc. Prom. 1.554551205

F.- Discusión:

Notamos que con forme crece el ángulo de inclinación en cada ensayo, el valor de

la viscosidad disminuye considerablemente, esto puede deberse a que a mayor

pendiente, no solo crece la velocidad del bloque, sino que además aumenta la

fuerza aplicada sobre el fluido.

Como se esperaba cada fluido se comportó diferente, ya que el valor de su

viscosidad también lo era.

El espesor de la película del fluido influye mucho en el cálculo de la viscosidad, es

por eso que para estos ensayos, se debe tratar de obtener una película de igual

espesor.

8) CONCLUSONES Y RECOMENDACIONES:

A.- Conclusiones:

Logramos determinar las viscosidades de los cuatro fluidos con los que trabajamos.

Fluido Viscosidad

Aceite SAE 30 3.893685477

Aceite 15 w 40 3.005521672

Kétchup 2.738891223

Aceite de cocina 1.554551205

Pudimos utilizar el viscosímetro para el cálculo de las viscosidades de los fluidos

estudiados en la práctica.

Cada fluido tiene diferentes viscosidades, así mismo se comportaron de maneras

diferentes en el mismo ensayo, con esto nos dimos cuenta que las características

que poseen son diferentes.

B.- Recomendaciones:

Se debería estudiar la viscosidad de otros fluidos, para esto se necesitaría la

participación de todo el grupo de estudios para su adquisición.

La práctica podría realizarse con otro tipo de viscosímetros para así poder

comparar los resultados estudiados.

9) APORTE:

Los grados Eugler dan la ecuación precisa para transformar la viscosidad dinámica a la

comercial.

El viscosímetro de Eugler permite medir la viscosidad de cualquier líquido, con respecto a

la que posee el agua a 20 °C, la unidad de medida es el grado Eugler.

Para medir la viscosidad de un líquido, primero se halla la constante del viscosímetro (CV)

que consiste en determinar el tiempo en segundos que tarda un volumen de 200 m^3 de

agua a 20 °C en fluir a través del aparato, se repite la misma operación con el líquido en

cuestión y la relación de tiempos es la viscosidad Eugler:

Para transformar a viscosidad se utiliza la ecuación:

µ=(0.0731∗° E−0.0631° E )

10) BIBLIOGRAFÍA:

Streeter, V. L. y E. B. Wylie, Mecánica de los fluidos. McGraw-Hil / Interamericana

de México, S.A., México, 1988.

Martín, A, Apuntes de Mecánica de Fluidos

Medida de la viscosidad de un fluido. Consultado en

http://www.slideshare/dinamica/visc_sidad.com; el 8 de Mayo de 2014.

11) APÉNDICE:

A.- ¿Por qué es necesario conocer la viscosidad de una sustancia?

La viscosidad de un fluido es una de sus propiedades más importantes, ya que nos

permitirá saber cómo se comportará este ante diversas circunstancias, con la viscosidad

nos podemos dar cuenta si un fluido podrá desplazarse con facilidad o dificultad en un

medio, además la viscosidad es la característica más importante de la lubricación de

cualquier máquina.

B.- Explique algunos métodos analíticos y/o gráficos para estimar la viscosidad de una

sustancia.

Un método analítico es la medida de la viscosidad por el método de Atrokes, el

cual se fundamenta en que cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido,

aparece una fuerza sobre el cuerpo que se opone a dicho movimiento, dicha fuerza

recibe el nombre de fuerza de arrastre.

Otro método analítico es la determinación de la viscosidad con viscosímetros

Brookfield. Este método está basado en la medición de la resistencia que ofrece un

fluido, cuando se le aplica una fuerza interna que lo induce al movimiento bajo

condiciones establecidas.

C.- Indique otros métodos experimentales para la determinación de la viscosidad de

líquidos, dando una breve explicación.

El método de la bola que cae, consiste en determinar el tiempo que tarda una

esfera de peso y tamaño conocido en caer a lo largo de una columna de diámetro y

longitud conocida del líquido en cuestión.