UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL MECANICA DE FLUIDOS
EXPERIMENTACION CON FLUIDOS NO NEWTONIANOS
Docente: Ing. Solórzano Poma, Jainer
Integrantes:
MECANICA DE FLUIDOS
FIC – UNASAM
I.
INTRODUCCION
Como estudiantes de quinto ciclo de la facultad de Ingenieria Civil de la UNASAM, comprendemos que el la propiedad fundamental que caracteriza a los fluidos (líquidos y gases) es que carecen de rigidez y en consecuencia se deforman fácilmente. Por ejemplo flujo de fluídos es un fenómeno común a la vida diaria. El estudio de su mecanismo es esencialmente impulsado por entender la física física involucrada en este tema, así como su control en diversas aplicaciones de la ingeniería. La astrofísica, meteorología, oceanografia, aerodinámica, hidrodinámica, lubricación, ingeniería marina, turbo maquinaria, ingeniería de yacimientos e ingeniería de la combustión, son algunos de los campos donde la mecánica de fluídos se emplea. Por ello en el presente trabajo mostraremos algunos ejemplos específicos no con el objeto de dar recetas para problemas en la práctica, sino con el objeto de mostrar los principios generales y su manejo. La Ley de la viscosidad de Newton, establece que en movimientos fluidos laminares existe una relación lineal entre las tensiones tangenciales y los gradientes de velocidad, siendo la constante de proporcionalidad una propiedad física del fluido llamada viscosidad dinámica o absoluta.
Aquellos fluidos que verifican la relación anterior, se denominan fluidos newtonianos, y muchos fluidos comunes tanto líquidos como gaseosos se comportan siguiendo esa relación. Sin embargo, existen algunas sustancias industrialmente importantes que no se comportan siguiendo la ley de Newton de la viscosidad, ya que su viscosidad a una temperatura y presión dadas es función del gradiente de velocidad o velocidad de deformación. A los fluidos cuya relación entre tensión- velocidad de deformación no es proporcional, se los ha denominado fluidos no-newtonianos, por ello es de menester la realización del presente proyecto como parte del proceso de investigación.
Los Alumnos
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II.
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OBEJTIVOS 2.1.Demostrar que es posible caminar sobre un fluido. 2.2.Explicar el comportamiento del fluido no newtoniano.
III.
MATERIALES 3.1.Agua 3.2.Fécula de maíz 3.3.Bandeja
IV.
MARCO TEORICO 4.1.FLUIDOS NEWTONIANOS Los fluidos como el aire y el agua, de gran aplicación en la ingeniería, cumplen con la ecuación:
= A aquellos fluidos que satisfacen esa ecuación se les denomina “Newtonianos”, pero también existen en la naturaleza fluidos que no cumplen con esa relación.
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4.2. FLUIDOS NO NEWTONIANOS Todo aquel fluido que no cumpla la relación lineal del esfuerzo cortante y la gradiente de viscosidad, se les considera y denomina como “No Newtonianos”. Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varia con el gradiente de tensión que se le aplica como resultado un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definida y constante a diferencia de un fluido newtoniano. Los fluidos no newtonianos se pueden clasificar en tres grandes grupos, aunque se debe aclarar que los límites de clasificación no son muy claros:
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a. Fluidos independientes del tiempo Fluidos plásticos: Son aquellos fluidos que presentan una tensión inicial, la cual está definida por la ecuación,
τ = τ 0 + μ dv dz
Fluidos pseudo – pseudo – plásticos: plásticos: Tienen la particularidad de disminuir viscosidad aparente al aumentar la gradiente de velocidad, el modelo más sencillo de explicación matemática es llamada la ley de potencia,
τ = μ dv dz , n < 1
Fluidos dilatantes: Incrementa su viscosidad aparente al aumentar la gradiente de velocidad, la cual se rige por la siguiente expresión,
τ = μ dv dz , n > 1
b. Fluidos dependientes del tiempo Su tipo de relación es más compleja, la cual puede expresarse, por la siguiente expresión,
τ = f(γ̇ ,t)
c. Fluidos visco elásticos Son fluidos que a diferencia de los viscosos donde la energía de deformación es disipada totalmente, esa energía puede recuperarse como sucede en los sólidos elásticos.
FLUIDOS DILATANTES Los fluidos diletantes son suspensiones en las que se produce un aumento de la viscosidad con la velocidad de deformación, es decir un aumento del esfuerzo cortante con dicha velocidad. Se presenta cuando al aumentar la velocidad de cizalla se aumenta la viscosidad del fluido
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Algunos de los productos como el almidón de maíz, las disoluciones concentradas y dióxido de titanio, etc. Son clasificados como no newtonianos.
V.
MARCO CONCEPTUAL 5.1. MECANICA La mecánica es una rama de la ciencia Física cuyo objeto es el movimiento de los cuerpos y sistemas, a causa de fuerzas que se ejercen sobre ellos, usando para ello el método deductivo matemático, como modo de aventurar fenómenos físicos, siendo por ello una ciencia aplicada sobre todo en el ámbito de la ingeniería. • Cinemática: Estudia Estudia las diferentes clases de movimiento movimiento de los cuerpos sin atender a las causas que lo producen. • Dinámica: Estudia a la fuerza y a las causas que originan el movimiento de los cuerpos. • Estática: está está comprendida dentro del estudio de la dinámica y analiza las causas que permiten el equilibrio de los cuerpos.
5.2. MECANICA DE FLUIDOS Es una rama de la mecánica de los medios continuos, y esta a su vez es una rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan; los fluidos se dividen en Gases y líquidos, estos tienen una característica similar y es que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes, y esto provoca que no tengan una forma definida, pero aparte de estos existe lo que son los fluidos no newtonianos que son altos en resistir esfuerzos cortantes. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.
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La mecánica de fluidos puede dividirse en dos aspectos importantes que son:
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5.3.- LA ESTÁTICA DE FLUIDOS: Que se ocupa de los fluidos en reposo, es
decir
sin
que
existan
fuerzas
que
alteren
su
posición.
La Dinámica de Fluidos: Que se ocupa de los fluidos en movimiento, es decir que están bajo fuerzas que alteran su posición.
En la práctica se observa que algunos fluidos se mueven con mayor facilidad que otros. Esto se debe a fuerzas de rozamiento internas en el fluido. Este efecto se conoce como viscosidad. FLUIDOS NO NEWTONIANOS
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Factores que influyen en la viscosidad: -
Temperatura.- La viscosidad disminuye con la temperatura.
-
Velocidad de Deformación.- Los fluidos se deforman continuamente bajo la aplicación de esfuerzo cortante.
-
Presión.- La viscosidad aumenta exponencialmente con la presión.
5.3. FLUIDO Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas). Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propias. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).
CARACTERISTICAS
Movimiento no acotado de las moléculas. Son infinitamente deformables, los desplazamientos que un punto material o molécula o molécula puede puede alcanzar en el seno del fluido no están acotados (esto contrasta con los sólidos deformables, donde los desplazamientos están mucho más limitados). Esto se debe a que sus moléculas no tienen una posición de equilibrio, como sucede en los sólidos donde la mayoría de moléculas ejecutan pequeños movimientos alrededor de sus posiciones de equilibrio. son compresibles en cierto grado. No obstante, los Compresibilidad. Todos los fluidos son compresibles líquidos son altamente incompresibles a diferencia de los gases que son altamente compresibles. Sin embargo, la compresibilidad no diferencia a los fluidos de los sólidos, ya que la compresibilidad de los sólidos es similar a la de los líquidos.
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Viscosidad, aunque la viscosidad en los gases es mucho menor que en los líquidos. La viscosidad hace que la velocidad de deformación puede aumentar las tensiones en el seno del medio continuo. Esta propiedad acerca a los fluidos viscosos a los sólidos los sólidos viscoelásticos.
Para el estudio de los fluidos es indispensable referirnos a la mecánica de fluidos que es la ciencia que estudia los movimientos de los fluidos y una rama de la mecánica de medios continuos. También estudia las interacciones entre e l fluido y el contorno que lo limita.
CLASIFICACIÓN Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a diferentes características, de acuerdo con su comportamiento viscosos que presentan en:
Fluidos perfectos o superfluidos Fluidos newtonianos Fluidos no newtonianos
Respecto a su densidad y tipo de movimiento de las moléculas y el estado físico un fluido puede ser clasificado en:
Líquido Vapor Gas
Incluso el plasma el plasma puede puede llegar a modelarse como un fluido, aunque este contenga cargas eléctricas.
5.3.- PROPIEDADES DEL FLUIDO Las siguientes son algunas de las propiedades de los Fluidos. Los valores de e stas pueden depender de otras variables como: temperatura, presión, etc.
DENSIDAD La densidad de un fluido es su masa masa por unidad de volumen. Si m es la masa de una porción de fluido dentro de un cubo de lado l, entonces el fluido tiene densidad.
donde es muy pequeña, pero de acuerdo con la consideración hecha en el continuo, es mucho más grande que la longitud de la trayectoria libre promedio de la particula.
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VOLUMEN ESPECÍFICO. El volumen especifico vs de un fluído es su volumen por unidad de masa, o sea el recíproco de la densidad.
PESO ESPECÍFICO. El peso específico es el peso por unidad de volumen volumen del fluido.
donde g es la aceleración debida a la gravedad.
5.3.- TENSION SUPERFICIAL Cuando se hacen burbujas de jabon con un popote y se desea aumentar el tamaño de la burbuja, es necesario soplar más fuerte, lo que implica desarrollar un trabajo para aumentar el tamaño de la misma. En otras palabras, la energía se almacena en la superficie de la burbuja, a causa de las fuerzas intermoleculares.
5.4.- ESFUERZO CORTANTE El esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma un prisma mecánico como por ejemplo una viga una viga o un pilar. un pilar. Se Se designa variadamente como T, V o Q. Este tipo de solicitación de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión la tensión cortante. Para cortante. Para una pieza una pieza prismática se relaciona con la tensión cortante mediante la relación:
Para una viga una viga recta para recta para la que sea válida la teoría la teoría de Euler-Bernoulli se tiene la siguiene relación entre las componentes del esfuerzo cortante y el momento el momento flector:
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5.5.- GRADIENTE DE VELOCIDAD Y ESFUERZO CORTANTE Consideremos el flujo laminar, unidimensional, estacionario, de un fluido no compresible en contacto con una pared sólida plana. Si representamos:
La velocidad, c, aumenta con la distancia, Y, si bien, a medida que nos alejamos, su variación es más pequeña. Es decir, existe un gradiente de velocidad, que es el inverso de la pendiente
en
cualquier
velocidad:
punto
de
esa
representación:
Gradiente
de
. Como la pendiente de la curva es cada vez mayor,
el gradiente de velocidad será cada vez menor, a medida que nos alejamos de la pared sólida. Es decir:
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Ahora bien, esa variación de la velocidad se produce por la existencia de esfuerzos cortantes en las capas de fluidos. En la proximidad de la pared sólida, el esfuerzo cortante será máximo, y disminuirá progresivamente a medida que nos alejemos. Por tanto:
De acuerdo con esto, el gradiente de velocidad, dc / dY, y el esfuerzo cortante,
, están
relacionados.
5.6.-VELOCIDAD La velocidad es una magnitud una magnitud física de carácter vectorial vectorial que expresa el desplazamiento de un objeto por unidad unidad de tiempo. Se representa por
o
. Sus dimensiones Sus dimensiones son [L]/ [L]/[T]. [T]. Su
unidad en el Sistema el Sistema Internacional es el metro por segundo (símbolo m/s) (símbolo m/s).. En virtud de su carácter vectorial, para definir la velocidad deben considerarse la dirección del desplazamiento y el módulo, el cual se denomina celeridad denomina celeridad o rapidez.1 rapidez.1 De igual forma que la velocidad es el ritmo o tasa de cambio de la posición la posición por por unidad de tiempo, la aceleración la aceleración es la tasa de cambio de la velocidad por unidad de tiempo.
Definición de los vectores velocidad media e instantánea.
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VI.
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PROCEDIMIENTO 6.1. Primero formamos nuestro fluido no Newtoniano. Para ello utilizaremos fécula de maíz y agua.
6.2. En una bandeja colocaremos por cada porción de agua dos porciones iguales de fécula de maíz. Lo mejor es que se coloque primero la fécula de maíz y después añadamos el agua, esto con cuidado ya que si nos pasamos en la cantidad de agua, podríamos arruinar nuestro fluido.
6.3. Mezclaremos poco a poco y lentamente hasta que obtengamos una mezcla espesa y uniforme.
6.4. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no Newtoniano se hacen evidentes. Podemos Pode mos notar en ella que cuando se le aplica una fuerza casi nula el fluido se comporta como un líquido, y que cuando se le aplica una fuerza mayor, cambia sus propiedades y se comporta como un sólido. Esto lo podemos lograr introduciendo un dedo lenta y rápidamente.
6.5. Si en este momento sostenemos la mezcla en nuestra mano, podremos notar la viscosidad que tendrá nuevamente al pasar de nuevo al estado líquido.
6.6. Finalmente se hará la prueba sobre dicho fluido y demostrar que si es posible caminar sobre dicho fluido no newtoniano.
VII. VIII. IX. X.
RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA REFERENCIADA
Nota: los ítems VII, VIII Y IX, se especificaran luego de los ensayos e nsayos de laboratorio y la contrastacion de resultados de estos.
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