PRACTICA N° 1 “PRESION HIDROSTATICA”
INTRODUCCIÓN
Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente expresión:
Donde, usando unidades del Sistema Internacional (SI), o
es la presión hidrostática (en pascales).
o
es la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico).
o
es la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado).
o
es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior.
o
es la presión atmosférica
Equipo a utilizar:
Banco Hidráulico
Tanque Transparente
Superficie a sumergir en el agua
Juego de pesas
Cilindro graduado
Regla graduada Información Técnica
L, representa la distancia desde el punto pivote hasta el brazo de la balanza, 275mm
B, es el ancho de la superficie a plana, 75mm
D, es la altura de la superficie desde el punto pivote hasta el fondo de la superficie, 200mm
H, representa la altura desde el punto pivote hasta el fondo de la superficie, 200mm
Ρ, representa la densidad del agua, 1000kg/
PROCEDIMIENTOS Primero se inicia con el montaje del equipo a utilizar donde se coloco el equipo de presión hidrostática sobre el banco hidráulico, luego se nivelo la base del tanque, para la cual se usaron algunos tornillos para fijarlo, estará perfectamente nivelado cuando la burbuja coincida con el aro del nivel. Se observa y se nivela el brazo de la balanza, haciendo uso del contrapeso, esto se comprobara cuando la parte plana de la balanza coincida con la ranura o marca interna del cuadrante. Además se debe verificar de que la válvula de desagüe este totalmente cerrada. Luego iniciamos con la toma de datos, el cual comenzamos con un peso de 50 gramos (gr.), con el cilindro graduado se inicia a verter el agua sin mojar la superficie hasta que la balanza vuelva a nivelarse y se toma la lectura del nivel del agua. Se repetirá este procedimiento como mínimo seis (6) veces con pesos distintos y mayores a los 50 gramos usados anteriormente. Para la recolección de datos se tomaran dos cuadros informativos para colocar los datos, unos de ellos será para el objeto “parcialmente sumergido” y el otro cuando el objeto este “totalmente sumergido” en el agua. Por ultimo luego de finalizar la práctica se abre la válvula de desagüe, se limpia el equipo utilizado y se coloca en su lugar.
TABLA DE DATOS Y RESULTADOS Parcialmente Sumergido m (gr.)
d (mm)
Fuerza (N)
h”exp (m)
h”teorico (m)
50 gr.
46 mm
0,76 N
0,173 m
0,184 m
110gr.
69 mm
1,76 N
0,169 m
0,177 m
160 gr.
84 mm
2.59 N
0,166 m
0,172 m
Totalmente Sumergido m (gr.)
d (mm)
Fuerza (N)
h”exp (m)
h”teorico (m)
260 gr.
110 mm
4,41 N
0,158 m
0,16 m
360 gr.
134 mm
6,18 N
0,157 m
0,159 m
380 gr.
140 mm
6,62 N
0,154 m
0,1592 m
APLICACIÓN DE FORMULAS
Cuestionario:
1) ¿Qué es la presión hidrostática? La presión hidrostática es la fuerza por unidad de área que ejerce un liquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta presión se debe al peso del liquido, esta presión depende de la densidad (p), la gravedad (g) y la profundidad (h) del el lugar donde medimos la presión (P) PH=p*g*h 2) ¿Cual es la importancia del estudio de la presión hidrostática ejercida por un fluido? Porque de esta manera se puede observar la Variación de la presión con la profundidad Todos los líquidos pesan, por ello cuando están contenidas en un recipiente las capas superiores oprimen a las inferiores, generándose una presión debida al peso. La presión en un punto determinado del líquido deberá depender entonces de la altura de la columna de líquido que tenga por encima de él. 3) ¿porque es importante nivelar el equipo antes de iniciar el experimento? Se debe nivelar bien el equipo, para evitar errores al momento de tomar los datos Y realizar los cálculos, cuando se trabaja con la superficie parcialmente sumergida hay q cuidar de no mojar la superficie, para que esto no influya en la toma de notas para los cálculos. 4) ¿Para la superficie en estudio a qué altura de líquido se encuentra totalmente sumergida? Se encuentra sumergida a una altura de 110mm, hizo falta una masa de 260 gr para sumergir completamente la superficie estudiada
CONCLUSIÓN
Se cumplió el objetivo de la práctica, el cual era observar el efecto de la presión hidrostática, y vemos que la superficie libre de un líquido en reposo es siempre horizontal, así como también se pudo observar lo que se conoce como el principio de Arquímedes. Al observar la tabla de resultados podemos analizar y concluir que mientras mayor sea el peso del objeto en estudio mayor será la fuerza hidrostática, y al sumergirse el objeto totalmente la fuerza será aun mayor a diferencia de cuando se encontraba a flote. Es decir, podemos comprobar que como dice la teoría esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo en el recipiente. Además se puso observar y afirmar el principio de Arquímedes, que dice que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado, el cual fue el que ayudo a nivelar la balanza a través del agua utilizada.
PRACTICA N° 2 “FLUJO CANALES ABIERTOS”
INTRODUCCIÓN
El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. Estas dos clases de flujos son similares en diferentes en muchos aspectos, pero estos se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la composición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y también por el hecho de que la profundidad de flujo el caudal y las pendientes del fondo del canal y la superficie libre son interdependientes. En estas la sección transversal del flujo, es fija debida a que esta completamente definida por la geometría del conducto. La sección transversal de una tubería por lo general es circular, en tanto que la de un canal abierto puede ser de cualquier forma desde circular hasta las formas irregulares en ríos. Además, la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de una superficie libre. Por consiguiente la selección de los coeficientes de fricción implica una mayor incertidumbre para el caso de canales abiertos que para del de tuberías, en general, el tratamiento del flujo en canales abiertos es mas que el correspondiente a flujo en tuberías. El flujo en un conducto cerrado no es necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie libre, puede clasificarse como flujo en canal abierto.
Canales Abiertos y sus Propiedades Clases de canales abiertos. Un canal abierto es un conducto en el cual el agua, fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial. Los canales NATURALES influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica. Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras etc., así como canales de modelos de laboratorio con propósitos experimentales las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La aplicación de las teorías hidráulicas a canales artificiales producirán, por tanto, resultados bastantes similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseños.
Geometría del Canal Abierto Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.
El trapecio es la forma mas común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad. El rectángulo y el triangulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano. PROCEDIMIENTO Para iniciar con este procedimiento experimental primero se coloca la placa rectangular, de manera que los tornillos estén hacia la parte externa del canal y ajustar bien las tuercas. Se coloca la salida de la bomba que se encargara de controlar el flujo del agua. Colocar la placa plana sin abertura en el otro extremo cerca de lo salida de agua. Luego debemos calibrar el vernier el cual se ubicara en el centro del canal, se debe sostener el eje principal del equipo y así apretar poco a poco el tornillo superior. Luego bajar el eje hasta que la punta coincida exactamente con el fondo del canal para después fijarlo. Ajustar el tornillo móvil del vernier y llevarlo hasta el punto donde su cero coincida con el cero de la escala fija. Se sube el eje del vernier y se ajusta para evitar que la punta vuelva a tocar el fondo del canal. Ahora se verifica que la bomba este apagada y la válvula esta cerrada, se conecta el banco hidráulico y se enciende. Para así abrir lentamente la válvula girándola un poco hacia la izquierda, de tal forma se inicia el llenado del canal. Es importante recordar que se efectuaran tres (3) lecturas para cada una de las placas. Para comenzar con la lectura de datos se mide la altura de la base de la placa a utilizar, se espera que el flujo de volumen se encuentre estable y luego se toma nota de la altura del fluido. Parara medir el caudal se elije el volumen a trabajar en el indicador de nivel y bajar
el tapón, con la ayuda de un cronometro tomar el tiempo que se es necesario para recoger dicho volumen, se tomaron tres lecturas de tres cronómetros distintos. Después de realizar esto con la placa rectangular se procede a cambiar retirando las tuercas y sustituyendo la placa rectangular por la placa de abertura triangular, volver a colocar las tuercas y realizar el mismo procedimiento que se realizo con la placa anterior. Para finalizar se cierra la válvula, se apaga la bomba hidráulica y se desconecta, se retira y limpia todo el equipo y se coloca en su lugar.
TABLA DE DATOS Y RESULTADOS Placa Rectangular ho (mm)
h (mm)
V (l)
t (s)
Q (m3/s)
H (m)
Cd
79,4
91,2
1
12,45
8,03 x 10-5
0,0118
1.001
79,4
96,4
1
6,71
1,49 x 10-4
0,017
1.113
79,4
103,1
1
4,4
2,7 x 10-4
0,0277
0.9932
Placa Triangular ho (mm)
h (mm)
V (l)
t (s)
Q (m3/s)
H (m)
Cd
91,1
113,6
1
8,21
1,21x 10-5
0,0225
0.954
91,1
113,8
1
8,9
1,12x 10-4
0,0227
0.864
91,1
116,1
1
5,71
1,75 x 10-4
0,025
1.060
Coeficiente de descarga: Dado que el caudal calculado de esta manera no es el caudal real, ya que no contempla las pérdidas de energía existentes en el dispositivo, es necesario corregirlo, para lo cual se define el coeficiente de descarga (Cd) como la relación entre el caudal real y el caudal teórico. Es decir el coeficiente de descarga sirve como factor de corrección del caudal medido para tomar en cuenta las pérdidas de energía presentes. Cuáles son los valores teóricos entre los que oscilan los coeficientes de descarga para placas triangulares y rectangulares:
APLICACIÓN DE FORMULAS
CONCLUSIÓN
Al finalizar la práctica y la investigación podemos afirmar que la característica principal del flujo en un canal abierto es que en el canal existe una superficie libre la cual se encuentra a una presión constante. El más claro ejemplo, la presión sobre la superficie del agua en un río se encuentra sometida a la presión atmosférica y esta presión es constante a lo largo de todo el río. La implicancia fundamental de esta característica es que el movimiento del fluido se origina en el peso del fluido (fuerza gravitatoria) y no en la existencia o no de una diferencia de presiones, como es el caso del flujo en un ducto cerrado. La distribución de presiones en un canal abierto es por lo general hidrostática, es decir, depende solo de la profundidad del fluido. Las otras fuerzas de importancia en el estudio de canales abiertos, son la fuerza de inercia y la fuerza originada por la fricción.
Podemos observar en la tabla de resultados que los valores obtenidos para el caudal tanto para la placa rectangular como para la placa triangular, son valores totalmente distintos, el cual se deben como se nombre a la diferencia de volumen, es decir, la profundidad utilizada en el estudio. Pero si bien estos valores presentan un gran margen de diferencia, en los datos de Coeficientes de Descargada presentan una gran similitud entre los dos casos estudiados.
Anexos Equipo utilizado para la Practica 1 “Presión Hidrostática”
Cilindro Graduado
Banco Hidráulico
Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” Extensión Maturín Ingeniera .Mtto. Mecánico Mecánica de fluidos
Profesor: Ing. Federico Barreto Bachilleres: Angel Caguana Luis Dilorenzo Diego Díaz
