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Resistencia y fricción en fluidos
Abril Lizet Aviña Hermosillo13300391 Diana Valeria González
Ruvalcaba 13300496 Edma Jeaneth Jiménez García 13300522
José Alfredo Ocegueda Sánchez 13300592 Osiel Antonio
Castillo Cruz 13300418
4E2 T/M
1 de junio de 2015
Introducción
En la siguiente presentación se hablará de manera detallada sobre la resistencia y fricción en los fluidos. Se definirá los conceptos clave, y el por qué ocurre cada uno de estos fenómenos.
Se incluirá también algunos recursos gráficos como imágenes y videos para lograr así una total comprensión del tema. Por último, se presentarán las conclusiones, referencias y preguntas de repaso.
Antecedentes
Las reglas clásicas de la fricción de deslizamiento fueron descubiertas por Leonardo da Vinci, pero permanecieron inéditas en sus cuadernos.
La contribución de Newton a los fluidos fue múltiple y a niveles muy diferentes. Abarcó desde sus fundamentos, en forma indirecta, hasta los meticulosos experimentos que llevó a cabo sobre vórtices (remolinos) y viscosidad (fricción interna).
Antecedentes La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción
experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes.
D'Alambert, después de introducir diversos conceptos y métodos analíticos en sus dos obras básicas sobre fluidos, demostró lo que se conoce como la paradoja de D'Alambert. Como consecuencia de haber ignorado la fricción interna de los fluidos, se tenía el peculiar resultado de que éstos no mojaban las paredes... ¡La hidrodinámica era el estudio del agua seca!
Desarrollo del tema.Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción a la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento.
Como en el caso de sólidos, las superficies de fluidos también ofrecen resistencia al movimiento. Esta resistencia, expuesta por una superficie del fluido, se llama viscosidad.
La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales.Se tienen dos tipos de viscosidad:• Viscosidad dinámica.• Viscosidad cinemática.
Viscosidad.
La viscosidad absoluta (o dinámica) es una propiedad de los fluidos que indica la mayor o menor resistencia que ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante.
Se define al esfuerzo cortante como la fuerza que se requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra. En fluidos como el agua, el alcohol u otros líquidos comunes, la magnitud del esfuerzo cortante es directamente proporcional al cambio de velocidad entre las posiciones diferentes del fluido.
Viscosidad dinámica.
El hecho de que el esfuerzo cortante en el fluido sea directamente proporcional al gradiente de velocidad se enuncia en forma matemática así: Ƭ= μ (∆v / ∆y)Donde la constante de proporcionalidad μ, es la viscosidad dinámica del fluido.
Viscosidad dinámica.
Viscosidad cinemática.La Viscosidad Cinemática es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de un fluido. Se define como la expansión de un área que otorga un fluido al ser derramado sobre una superficie de rugosidad promedio. Esta viscosidad suele denotarse como Ʋ, por lo tanto:
Relación con la temperatura.
Los valores de la viscosidad cambian conforme cambia la temperatura. Ésta disminuye conforme la temperatura aumenta. Los gases se comportan distinto de los líquidos, ya que su viscosidad se incre menta conforme la temperatura crece. Asimismo, por lo general, su cambio es menor que el de los líquidos.
La propiedad que indica el comportamiento de la viscosidad de un fluido con la temperatura es conocida como Índice de Viscosidad (IV). Un alto IV indica que el fluido es estable con los cambios de temperatura, es decir, que su viscosidad se reduce moderadamente al aumentar la temperatura. Esta propiedad puede hallarse a través de la ecuación de Deanny-Davis:
donde U son los SSU del fluido a 100°F y los valores de L y H se obtienen de tablas, ingresando con los SSU a 210°F.
Índice de viscosidad.
Índice de viscosidad.
Fricción en los fluidos.
La fricción en un fluido viene dada por la viscosidad, la cual mide la resistencia de un fluido que está siendo deformado por una presión, una tensión tangencial o una combinación de tensiones internas.
La fricción fluida se puede presentar en dos casos:
Se presenta en capas de fluidos que se mueven a diferentes velocidades.
Se presenta en el fluido cuando un cuerpo sólido se mueve dentro o sobre de éste.
Fricción en fluidos.La fricción fluida, aunque es mínima en comparación de la fricción sólida, genera una cierta cantidad de calor y resistencia al movimiento, por lo que dependiendo del ámbito en que se utilice se debe reducir o ampliar.
Las moléculas de fluido experimentan mayor atracción por el material de la pared sólida que entre ellas mismas y, como consecuencia, la capa de fluido adyacente a la pared se queda inmóvil ejerciendo sobre el resto del fluido un efecto retardador.
Fricción en cuerpos dentro de un fluido.
La fuerza de fricción es fácilmente calculable en cuerpos que se mueven en un fluido con bajo número de Reynolds, esta fuerza está definida por:
Donde:
Fr : Fuerza de fricción.
K: Está definida por la forma del cuerpo.
η: Es el coeficiente de fricción del fluido.
V: Es la velocidad del fluido.
Ley de Stokes.De la fórmula pasada, la forma más común es para esferas, la cual está definida por la ley de Stokes, en la cual:
Donde R es el radio de la esfera.
Esta ley es válida en el movimiento de partículas a bajas velocidades.
Tiene diversos usos entre ellos: el viscosímetro, el movimiento de microorganismos en un fluido, asentamiento de partículas en el agua de lluvias, etc.
Velocidad límite.Cuando un cuerpo esférico cae dentro de un fluido viscoso debido a la acción de su peso, se somete también a la acción de la fuerza de viscosidad y del empuje. Cuando se equilibran estas tres fuerzas, la esfera empieza moverse con velocidad constante, a la que se le denomina “velocidad límite”. La cual es calculada por medio de la siguiente expresión:
Donde:
η: Es el coeficiente de fricción del fluido.
VL: Es la velocidad límite
δc: Es la densidad del cuerpo
δf: Es la densidad del fluido
R: Es el radio
g: Es la gravedad
Factor de fricción de Darcy.
Ecuación de Darcy-Weisbach.Permite el cálculo de la pérdida de carga debido a la fricción dentro de una tubería llena. Esta fórmula da lugar a la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que inciden en la pérdida de energía en una tubería.
La formula general es:
Donde:
De las investigaciones realizadas, se concluyó que es necesario entender las fuerzas que actúan sobre los fluidos, no sólo para su estudio sino también para sus múltiples aplicaciones, puesto que éstas determinan varios aspectos de la naturaleza del fluido. La fuerza de fricción en un fluido, por más mínima que sea, al ser comparada con las fuerzas de fricción en sólidos sigue siendo de vital importancia en el análisis debido a la perdida de energía que produce y a la generación de calor, lo cuál puede llegar a favorecer o estropear un sistema. Un ejemplo sería el de los aviones, donde es necesario que la fricción que experimentan junto con el aire sea mínima para que éste funcione en las mejores condiciones.
Conclusiones.
1.Docsetools. (enero de 2015). Docsetools. Recuperado el 31 de mayo de 2015, de artículos útiles: http://docsetools.com/articulos-utiles/article_118832.html
2.Echeverry, C. ((Página web en construcción)). Historia de los fluidos. Recuperado el 31 de mayo de 2015, de Fluidos: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/sigloxviii/sigloxviii.htm
3. Mott, R. L. (2006). Mecánica de fluidos (Sexta ed.). (J. E. Brito, Trad.) México: Prentice Hall. Recuperado el 24 de mayo de 2015
Referencias bibliográficas.
1. ¿Quién descubrió Las reglas clásicas de la fricción de deslizamiento?
Leonardo da Vinci.
2. ¿En qué año se derivó la Ley de Stokes? 1851
3. ¿Cuál es la idea principal de la paradoja de D’Alambert?
La hidrodinámica era el estudio del agua seca.
Preguntas de repaso.
Preguntas de repaso.
4. ¿Qué define que un objeto tenga mayor fricción?
R= Sus irregularidades.
5. ¿Qué pasaría si no existiera fricción?
R= No sería necesaria una fuerza para deslizar una superficie sobre otra.
6. En una tubería por la que corre un flujo… ¿En qué parte existe mayor velocidad y por qué?
R= En el centro, porque existe fricción entre el fluido y las paredes de la tubería.
Preguntas de repaso.
7. ¿Qué es viscosidad?
R= Resistencia de un fluido a fluir.
8. ¿Qué sucede con la viscosidad de los gases cuando la temperatura aumenta?
R= La viscosidad se incrementa.
9.¿Qué ecuación mide la pérdida de energía en una tubería?
R= La ecuación de Dancy-Weisbach