FUERZA DE FRICCION EN FLUIDOS I. OBJETIVOS:
Determinar el coeficiente de viscosidad de fluidos viscosos.
II. FUNDAMENTO TEORICO: Viscosidad propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad. Los gases y los los líqu líquid idos os tien tienen en una una propiedad cono conoci cida da como como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia fluir ofrecida por un líqu líquid ido, o, resu resultltan ante te de los los efec efecto toss comb combin inad ados os de la cohe cohesi sión ón y la adhe dherenc rencia ia.. La visc iscosida sidad d se pro produc duce por por el efec fecto de corte rte o deslizamie deslizamiento nto resultante resultante del movimiento de una una capa de flui fluido do 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. En el movimie movimiento nto de fluido fluidos, s, LA VISCOSID VISCOSIDAD AD es similar similar a la fuerza fuerza de fricció fricción n en los cuerp cuerpos os sólido sólidos. s. En los fluido fluidoss visco viscosos sos,, la visco viscosid sidad ad produce una resistencia a la formación, o resistencia a que unas capas de fluidos resbalen sobre las otras, y por tanto da origen a una perdida de energía. En los los flui fluido doss muy muy poco poco visc viscos osos os ( aire aire y agua agua)) la resi resist sten enci cia a a la deformación en el interior del fluido es muy pequeña, pero la viscosidad se hace sentir intensamente en la capa adyacente al fluido. En los fluidos en reposo, el esfuerzo cortante es nulo, y el único esfuerzo existe en el normal o presión. El fluido normal en reposo se comporta exactamente como un fluido ideal. 1
Cuando un cuerpo se mueve a la velocidad relativamente baja a través de un fluido, la fuerza de fricción puede obtenerse en forma aproximada, suponiendo que es proporcional a la viscosidad. El coeficiente de fricción, depende depende de la forma del cuerpo que se mueve; mueve; por ejemplo, ejemplo, los objetivos objetivos esféricos que caen en fluidos experimentan la acción de fuerzas viscosas, las cuales se expresan mediante LA LEY DE STOKES, y las que se les denominan fuerzas de arrastre F
F = 6 π.η
. R.V
Donde: R = radio de la esfera. η = Coeficiente de viscosidad. V = velocidad de la esfera relativa relativa la fluido. Cuando un cuerpo esférico cae dentro de un fluido viscoso debido a la acción se su peso, estará sometido también a la acción de la fuerza de viscosidad y del empuje. Cuando se equilibran estas tres fuerzas, la esfera empi empiez eza a move movers rse e con con velo veloci cida dad d cons consta tant nte, e, a la que que se le deno denomi mina na “VELO “VELOCID CIDAD AD LIMITE LIMITE”” . en estas estas condi condicio ciones nes se puede puede determ determina inarr la veloci velocidad dad limite limite de la esfer esfera, a, y el coeficie coeficiente nte de viscos viscosida idad d del fluido, fluido, utilizando la siguiente relación,
η
=
2 R 2 g 9V L
(
δC - δF )
Donde: VL = Velocidad limite. δc = Densidad del cuerpo.
δf =
Densidad del fluido. R = Radio de la esfera. g = Gravedad.
2
III . MATERIAL Y EQUIPO:
Tubo cilíndrico de vidrio.
Esferas pequeñas de metal.
Un imán.
Un cronometro.
Fluidos viscosos ( debería traer el alumno).
Balanza eléctrica.
Calibrador vernier.
Termómetro.
IV . PROCEDIMIENTO: 1.
En la balanza obtenga la masa del fluido, luego lea su volumen,
para determinar su densidad. 2.
Mida el radio de la esfera ( 10 veces ), y también sus masa, para
que determine la densidad de la esfera. 3.
Deje caer la esfera de metal dentro del tubo con fluido, y mida el
tiempo (10 veces) que emplea recorrer cada una de las siguientes distancias: 50 cm, 40 cm, 30 cm, 20 cm, 10 cm. 4.
Anot Anote e el el val valor or de la temp temper erat atur ura. a.
V . DATOS: ALTURA CM 50 40 30 20 10 D = 2.56 mm
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
Seg 2,8 2,1 1,1 0,9 0,9
Seg 2,8 2,0 1,6 0,8 0,9
Seg 2,3 2,3 1,4 0,9 0,7
Seg 2,2 2,2 1,5 0,8 0,7
Seg 2,1 2,0 1,2 1,0 0,8
Seg 2,2 2,1 1,6 0,9 0,6
Seg 2,1 2,3 1,2 1,1 0,7
Seg 2,2 2,1 1,3 0,9 0,6
Seg 2,1 2,0 1,4 1,1 0,7
Seg 2,2 2,1 1,3 1,1 0,7
R = 1.28 mm
VI. PROCESAMIENTO DE DATOS:
3
En este cuadro se ha obtenido el tiempo total de las alturas correspondientes del cuadr cuadro o anteri anterior, or, igual igual la veloci velocidad dad,, y el coefi coeficie ciente nte de viscos viscosida idad d del líquido. Total de segundos
VL = cm/s
T1 = 1170 s T2 = 1212 s T3 = 636 s
V1 = 0,042 cm/s V2 = 0,033 cm/s V3 =0,047 cm/s V4 = 0.081 cm/s
T4 = 245 s T5 = 73 s
V5 = 0,136 cm/s
El coeficiente de viscosidad “n” η1 = 493,86 gr/cm η2 = 638,97 gr/cm η3 = 448,68 gr/cm η4 = 260,34 gr/cm η5 = 155,05 gr/cm
VII. ANALISIS DE RESULTADOS: Según la teoría de viscosidad nos dice: Los líquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y, en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho mas altos. Los coefic ficien ientes tes de visco iscossida idad de los los gases ses aumen mentan tan con la temperatura, en tanto que los de la mayoría de líquidos, disminuyen. Asimismo se ha visto que los coeficientes de viscosidad de gases a presiones moderadas son esencialmente independientes de la presión, pero en el caso de los líquidos el aumento en la presión produce un incremento de viscosidad. Estas diferencias en el comportamiento de gases y líquidos provienen de que en los líquidos el factor dominante para para dete determi rmina narr la visc viscos osid idad ad en la interacción mole molecu cula larr y no la transferencia de impulso. La mayoría de los métodos empleados para la medición de la viscosidad de los líquidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille o de Stokes. La ecuación de Poiseuille para el coeficiente de viscosidad de líquidos es:
donde V es el volumen del liquido de viscosidad que fluye en el tiempo a traves de un tubo capilar de radio r y la longitud dinas P dinas
L
bajo una presión de
por centímetro cuadrado. Se mide el tiempo de flujo de los
líquidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades de los líquidos, se puede escribir como: 4
Las cantidades t1 y t2 se se miden más adecuadamente con un viscosímetro de Os Ostw twal ald. d. Una Una cant cantid idad ad defi defini nida da de liqu liquid ido o se intr introd oduc uce e en el viscosímetro sumergido en un termostato y luego se hace pasar por succión al bulbo B hasta que el nivel del liquido este sobre una marca a. Se deja deja escu escurr rrir ir el liqu liquid ido o el tiem tiempo po nece necesa sari rio o para para que que su nive nivell desc descie iend nda a hast hasta a una una marc marca a b y se mide mide con con un cron cronom omet etro ro.. El viscosímetro se limpia, luego se añade el líquido lí quido de referencia y se repite la operación. Con este procedimiento se obtienen
t1
y
t2 y
la viscosidad
del líquido se calcula con la ecuación anterior. Entonces podemos decir de los l os resultados obtenidos: •
Para la altura de 50 cm: el coeficiente de viscosidad es
η1 = 493,86 gr/cm •
Para la altura de 40 cm: el coeficiente de viscosidad es
η2 = 638,97 gr/cm •
Para la altura de 30 cm: el coeficiente de viscosidad es
η3 = 448,68 gr/cm •
Para la altura de 20 cm: el coeficiente de viscosidad es
η4 = 260,34 gr/cm •
Para la altura de 10 cm: el coeficiente de viscosidad es
η5 = 155,05 gr/cm
VIII. CUESTIONARIO: 1. Dete Determinar rminar el coeficie coeficiente nte de viscosida viscosidad d con su correspo correspondien ndiente te error. η
=
2 R 2 g 9V L
(
δC - δF )
5
El coeficiente de viscosidad total es
= 1996.9
η
El error: n= n ±
n
n=399.38 n= 59.12 (+) n= 458.50 (-) n=340.26 2. ¿De qué ma man nera depende el coefic icie ien nte de viscosidad, de la temperatura en líquidos y gases?. La viscosidad de un líquido puro varia, en su mayor parte, acorde con la temperatura. La presión tiene un efecto pequeño (muy inferior a el de la temperatura) sobre la viscosidad de un gas y el efecto de presión en un liquido es extremadamente pequeño. El efec efecto to de la temp temper erat atur ura a sobr sobre e la visc viscos osid idad ad de un líqu líquid ido o es notablemente diferente del efecto sobre un gas; mientras en este ultimo caso el coeficiente aumenta con la temperatura, las viscosidades de los líquidos disminuyen invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Se han propuesto numerosas ecuaciones que relacionan viscosidad y temperatura como por ejemplo: N = Ae B/RT Donde Donde A y B son constan constantes tes para el liquido liquido dado; dado; se deduce deduce que el diagrama de log( n) Frente a 1/T seta una línea recta. Se pensó en otro tiempo que la variación de la fluidez con la temperatura resultaría más fundamental que la del del coef coefic icie ient nte e de visc viscos osid idad ad;; pero pero el uso uso de una una expr expres esió ión n exponencial hace que la opción carezca de importancia. 3. •
¿A qué se debe que un fluido sea mas viscoso que otro?. La visc viscos osid idad ad es una una de las las prop propie ieda dade dess más más impo import rtan ante tess de los los fluidos, ya que ayuda a describir el comportamiento del fluido desde el punto de vista de la deformación que sufren al recibir un esfuerzo cortante, distinto a como responden los sólidos.
6
•
Como la viscosidad es la oposición de los fluidos a fluir, se ve afectada por la densidad del fluido, la temperatura, la estructura interna, y en una poca proporción por la presión.
Entre más viscoso sea un fluido, más tiempo se demorará en ir de un lugar a otro. 4. ¿Có ¿Cómo mo se int interp erpret reta a las caract caracterís erístic ticas as técnica técnicass que se anotan anotan en los
•
envases de los aceites lubricantes?. Los aceites lubricantes se distinguen entre si según sus propiedades o según su comportamiento en las máquinas. Debemos de conocer las propie propieda dades des de los aceite aceitess lubrica lubricante ntes, s, para para poder poder determ determina inarr cual cual utilizaremos según la misión que deba desempeñar. Un buen aceite lubricante, a lo largo del tiempo de su utilización, no debe formar excesivos depósitos de carbón ni tener tendencia a la formación de lodos ni ácidos; tampoco debe congelarse a bajas temperaturas. Las Las prop propie ieda dade dess
más más impo import rtan ante tess que que debe deben n tene tenerr los los acei aceite tess
lubricantes son: COLOR. Cuan Cuando do obse observ rvam amos os un acei aceite te lubr lubric ican ante te a trav través és de un recipiente transparente el color nos puede dar idea de el grado de pureza o de refino. DENSIDAD: La densid nsida ad de un aceit ceite e lubr lubric ica ante nte se mid mide por por comparación entre los pesos de un volumen determinado de ese acei aceite te y el peso peso de igua iguall volu volume men n de agua agua dest destililad ada, a, cuya cuya densidad se acordó rdó que sería igual a 1 (UNO), a igual temperatura. Para los aceites lubricantes normalmente se indica la densidad a 15ºC. VISCOSIDAD: Es la resi resist sten enci cia a que que un flui fluido do opon opone e a cual cualqu quie ier r movimiento movimiento interno de sus moléculas, moléculas, dependien dependiendo do por tanto, tanto, del mayor o menos grado de cohesión existente entre estas. ÍNDICE DE VISCOSIDAD: Se entiende como índice de viscosidad, el valo valorr que que indi indica ca la varia variaci ción ón de visc viscos osid idad ad del del acei aceite te con con la temperatura. Siempre que se calienta un aceite, éste se vuelve más fluido, su viscosidad disminuye; por el contrario, cuando el aceite se somete
7
a temperaturas cada vez más bajas, éste se vuelve más espeso o sea su viscosidad aumenta. UNTUOSIDAD: La untuosidad es la propiedad que representa mayor o menor adherencia de los aceites a las superficies metálicas a lubricar y se manifiesta cuando el espesor de la película de aceite se reduce al mínimo, sin llegar a la lubricación límite. PUNTO DE INFLAMACIÓN: El punto punto de inflam inflamaci ación ón de un aceite aceite lo determin mina la tempe mperat ratura mínima a la cual los los vapores res desprendidos se inflaman en presencia de una llama. PUNT PU NTO O
DE
COMB CO MBUS USTI TIÓ ÓN:
Si
prolongamos
el
ensayo
de
calentamiento del punto de inflamación, notaremos que el aceite se incend incendia ia de un modo modo más o menos menos perman permanen ente, te, ardien ardiendo do durante unos segundos, entonces es cuando se ha conseguido el punto de combustión. PUNTO DE CONGELACIÓN: Es la temperatura a partir de la cual el aceite pierde sus características de fluido para comportarse como una sustancia sólida. ACIDEZ: Los diferentes productos terminados, obtenidos del petróleo bruto pueden presentar una reacción ácida o alcalina. En un aceite lubricante, una reacción ácida excesiva puede ser motivo de un refinado en malas condiciones. A esta acidez se le llama acidez mineral. ÍNDICE DE BASICIDAD T.B.N: Es la propiedad que tiene el aceite de neutralizar los ácidos formados por la combustión en los motores. El T.B.N. (total base number) indica la capacidad básica que tiene el aceite. Si analizamos un aceite usado el T.B.N residual nos puede indicar el tiempo (en horas) que podemos prolongar los cambios de aceite en ese motor. DEMULSIBILIDAD. Es la mayor o menor facilidad con que el aceite se separa del agua, esto es, lo l o contrario de emulsibilidad. 5.
¿Describa brevemente el funcionamiento de un Viscosímetro? Los Los viscos viscosíme ímetro tross define definen n las propie propieda dades des visco viscosas sas de un fluido fluido a temperaturas ambiente o a distintas temperaturas según sea el equipo; comúnmente en la forma de un tubo capilar calibrado, a través del cual 8
un líquido pasa a una temperatura controlada, en un tiempo específico. Otros métodos son el viscosímetro rotacional. CLASIFICACIÓN •
• •
•
Viscosímetros Capilares Viscosímetro capilar PVS1/1 con un test Viscosímetro capilar PVS1/1 Con test y limpiador automático Viscosímetro capilar PVS1/1 Para viscosidades intrínsecas usando dilusiones concentradas.
•
Viscosímetro capilar PVS1/4
•
Viscosímetro capilar para gases
•
Viscosímetro de Cilindros Coaxiales
•
Viscosímetro de couette o hatshek
•
Viscosímetro searle
•
Viscosímetro Bohiin V88
•
Viscosímetro de Shultzel
•
Viscosímetro Analógico
•
Viscosímetro Rotacional Digital Como Como se puede puede observa observarr hay varia variass tipos tipos de viscosím viscosímetr etros os que cumplen distintas funciones en diferentes campos de su aplicación, Se utiliza con frecuencia para las medidas relativas de líquidos muy viscosos, de suspensiones, de pinturas, de productos alimenticios, etc.
IX . CONCLUSIONES:
•
Como conclusión podemos decir. Entre más viscoso sea un fluido, más tiempo se demorará en ir de un lugar a otro.
9
•
Como la viscosidad es la oposición de los fluidos a fluir, se ve afectada por la densidad del fluido, la temperatura, la estructura interna, y en una poca proporción por la presión.
•
La forma más sencilla de medir la viscosidad de un líquido es tomando como referencia la viscosidad de una sustancia muy conocida, por ejem ejempl plo o el agua agua,, así así se redu reduce cen n las las vari variab able less y se obti obtien ene e una una expres expresión ión pequeñ pequeña a y más trabaj trabajabl able, e, que puede puede tener tener asoci asociado ado la medición de tiempo y densidad.
BIBLIOGRAFIA •
Jorge Mendoza d.; física; editorial Gómez; pág. 489
•
J Gómez F.; física; editorial Gómez; pág.545
10
11
12
13
