UNIVERSIDAD DE LA SERENA FACULT FACULTA AD DE INGENIERÍA INGENIERÍ A DEPARTAMENTO DE OBRAS CIVILES MECÁNICA DE FLUIDOS I
INFORME DE LABORATORIO N!1: "VISCOSIDAD DE UN FLUIDO# PROFESOR: VICTOR AROS ALUMNOS: JOSÉ COVARRUBIAS DANIEL ROBLEDO FECHA: 25/04/2014 AUDANTE: GISELLE GIS ELLE OLIVA OLI VARES RES
ÍNDICE
I$%&'()**+,$
O-.%+'
M&*' T,&+*'
D*&+3*+,$ E3&+$*+
E)+3' U%+6+7('
E3&+,$ R)6%(' G&89+*'
C'$*6)+'$ P&'$6
B+-6+'&9;
INTRODUCCI
El presente informe dará a conocer a Ud. los resultados obtenidos en la anterior experiencia en laboratorio, la cual consistió en el estudio de la viscosidad de los fluidos que llevará consigo el cálculo de una constante "e", a través de una regresión lineal y la determinación de la viscosidad absoluta del fluido. Para comprender enteramente esta propiedad de los fluidos es necesario remitirse en un comieno a la definición de un fluido, el cual indica que es un cuerpo cuya fuera es resistente a la deformación tangencial, clasificado en l!quidos y gases, dependiendo del estado en que se encuentre y no del material en s!, a ra! de esto, un fluido es definido en su comportamiento y no en su composición debido a sus propiedades, los fluidos forman parte importante en el área de la mecánica, lo cual está demostrado en la gran cantidad de investigaciones, fórmulas y aplicaciones en las cuales son empleados. #a propiedad estudiada en la presente experiencia es la $iscosidad, la cual está definida como la medida de la resistencia, que ofrece al desplaamiento de unas capas de un fluido sobre otras, esta propiedad está presente %nicamente si el fluido a examinar está contenido en un recipiente y se encuentra en movimiento. Para el desarrollo de esta experiencia, fue necesario el uso de instrumentos de medición que permitieron un óptimo desempe&o, como el $iscos!metro de rotación, el cual emplea la idea de que la fuera requerida para rotar un ob'eto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad de este, asimismo la utiliación de un Pie de metro, el cual se utilió su profund!metro, para medir las diferentes alturas del fluido, en las cuales se realiaron mediciones a su ve también se produ'eron cambios en la temperatura del fluido donde se apreciaron importantes cambios en las mediciones obtenidas anteriormente, las cuales llevarán a obtener importantes conclusiones de lo experimentado. ( continuación se detallará el desarrollo de la experiencia, las mediciones obtenidas, los cálculos realiados para obtener la constante de corrección "e", la determinación de la viscosidad del fluido utiliado y observar el efecto de la variación de la temperatura que provocó en él.
OBJETIVOS
)b'etivos principales de la presente experiencia* + eterminar la constante de corrección -e atreves de una regresión lineal. + eterminar la forma experimental de la viscosidad absoluta -/ de un fluido. + )bservar el efecto que provoca la variación de la temperatura sobre la viscosidad.
MARCO TE
#a 0ecánica de 1luidos es la parte de la 0ecánica (plicada que se ocupa de los fluidos entendiendo por ellos a l!quidos y gases. El estudio de las condiciones de equilibrio que rigen a los fluidos, constituye la estática de los fluidos y estudio del movimiento de los fluidos constituye la dinámica de los fluidos o fluido2dinámica.
F6)+(': Es un con'unto de part!culas unidas entre s!, por fueras co3esivas débiles y las paredes del recipiente que las contenga un fluido como concepto, engloba en s! tanto a l!quidos como gases. Una caracter!stica de los fluidos es su capacidad de cambiar de forma sin que existan fueras restituidas, que lo obliguen a retomar su forma inicial, la cual es además la principal diferencia con un sólido deformable. #os l!quidos en los fluidos, toman la forma del recipiente que los alo'a, manteniendo su propio volumen, a diferencia de los gases, quienes carecen tanto de volumen como forma propia. 4aracter!sticas de un fluido* 5us moléculas poseen un movimiento no acotado, lo cual les permite ser infinitamente deformables, los desplaamientos que una molécula puede alcanar en el seno del fluido no están acotados 6en contraste de los sólidos deformables, donde los desplaamientos están muc3o más limitados7. Esto se debe a que sus moléculas no tienen una posición de equilibrio, como sucede en los sólidos donde la mayor!a de moléculas e'ecutan peque&os movimientos alrededor de sus posiciones de equilibrio. 4ompresibilidad* 8odos los fluidos son compresibles en cierto grado. 9o obstante, los l!quidos son altamente incompresibles, a diferencia de los gases que son altamente compresibles. 5in embargo, la compresibilidad no diferencia a los fluidos de los sólidos, ya que la compresibilidad de los sólidos es similar a la de los l!quidos. $iscosidad* #a viscosidad en los gases es muc3o menor que en los l!quidos. #a viscosidad 3ace que la velocidad de deformación puede aumentar las tensiones en el seno del medio continuo. istancia molecular grande* Esta es unas caracter!sticas de los fluidos, en la cual sus moléculas se encuentran separadas a una gran distancia en comparación con los sólidos y esto le permite cambiar muy fácilmente su velocidad debido a fueras externas y facilita su compresión.
(usencia de memoria de forma* #os fluidos toman la forma del recipiente que lo contenga, sin que existan fueras de recuperación elástica como en los sólidos. ebido a su separación molecular los fluidos no poseen una forma definida por tanto no se puede calcular su volumen o densidad a simple vista, para esto se introduce el fluido en un recipiente en el cual toma su forma y as! podemos calcular su volumen y densidad, de manera de facilitar su estudio. Esta %ltima propiedad es la que diferencia más claramente a fluidos 6l!quidos y gases7 de sólidos deformables.
V+*'+((: Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. #a viscosidad sólo se manifiesta en l!quidos en movimiento.
V+*';=%&': 6$iscómetro7 Es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flu'o de un fluido. 1ue :saac 9e;ton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos, postuló que dic3a fuera correspond!a al producto del área superficial del l!quido por el gradiente de velocidad. En <==> Poiseuille me'oró la técnica estudiando el movimiento de l!quidos en tuber!as.
V+*,=%&' ( &'%*+,$: #os viscos!metros de rotación emplean la idea de que la fuera requerida para rotar un ob'eto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. (lgunos de ellos son* 8ipo ?roo@field* etermina la fuera requerida para rotar un disco o lente'uela en un fluido a una velocidad conocida. $iscos!metro A4up and bobA* 1unciona determinando el torque requerido para lograr una cierta rotación. Bay dos geometr!as clásicas en este tipo de viscos!metro de rotación, conocidos como sistemas* "4ouette" o "5earle". $iscos!metro 5tormer * ispositivo rotatorio empleado para determinar la viscosidad de las pinturas, es muy usado en las industrias de elaboración de pintura. 4onsiste en una especie de rotor con paletas tipo paddle que se sumerge en un l!quido y se pone a girar a CDD revoluciones por minuto, se mide la carga del motor para 3acer esta operación la viscosidad se encuentra en unas tablas (580 FC, que determinan la viscosidad en unidades Grebs. El método se aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo.
A*+% S>40: 5(E es el !ndice de clasificación de la viscosidad de la 5ociety of (utomotive Engineers de EU(. Por e'emplo el aceite <H >D, en este caso el segundo término 6el >D7, nos indica el grado de viscosidad real del aceite a la temperatura de operación del motor. Una ve que el propulsor arrancó y se 3a calentado, el aceite traba'a como un grado 5(E >D, esto es la viscosidad con la que se protege al motor la mayor parte del tiempo. 9%meros más altos, significan un me'or desempe&o en altas temperaturas.
C)&(: Elemento constituido por 3ebras o 3ilos, flexible, que se utilia para unir cuerpos, en este caso para unir un extremo al viscos!metro y el otro a los distintos peso a utiliar en la experiencia.
P+ ( =%&': Es un instrumento utiliado para medir dimensiones de ob'etos relativamente peque&os. En esta experiencia para medir la cantidad de fluido vertido en el interior del viscos!metro.
C&'$,=%&': (l comenar el 5iglo I:I, un relo'ero suio, #ouis ?ert3oud inventó el cronómetro, el cual es un relo' de precisión que se emplea para medir fracciones de tiempo muy peque&as. ( diferencia de los relo'es convencionales que se utilian para medir los minutos y las 3oras que rigen el tiempo cotidiano, los cronómetros suelen usarse en competencias deportivas y en la industria para tener un registro de fracciones temporales más breves, como milésimas de segundo.
M: Es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo.< Es una propiedad intr!nseca de los cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. #a unidad utiliada para medir la masa en el 5istema :nternacional de Unidades es el @ilogramo 6@g7. Es una magnitud escalar.
T&=,=%&': 6termo significa "caliente" y metro, "medir"7 es un instrumento de medición de temperatura. esde su invención 3a evolucionado muc3o, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales. :nicialmente se fabricaron aprovec3ando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefer!a el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utiliaba en este tipo de termómetros 3a sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
DECRIPCI
El desarrollo de la presente experiencia se dividió en tres partes, donde en cada una de ellas se tomaron mediciones para poder analiarlas posteriormente.
1: #a primera parte consistió en obtener las primeras cinco mediciones para la determinación de la contante -e 6constante de corrección7. Para comenar los ayudantes disponen del viscos!metro a utiliar y lo colocan al borde de una mesa. $ierten sobre el viscos!metro un fluido 6aceite para automóvil 5(E >D7 y se anota el primer dato la altura de dic3o l!quido dentro del viscos!metro. #uego se a'usta una cuerda 6de masa despreciable, suponemos7 en la cima del viscos!metro, enrollada y de tal manera que su extensión coincida aproximadamente con el suelo. 5e coloca la primera masa 6de CD gramos7 amarrada a la cuerda y apoyado con un celular usando la función de cronómetro, se de'a caer y tomamos el tiempo que tarda en desenrollarse completamente la cuerda. (notamos nuestro segundo y %ltimo dato tiempo. Jealiamos el mismo proceso pero esta ve los ayudantes vierten un poco más de aceite para tomar una nueva medición de la altura. 5eguido de esto se vuelve a enrollar la cuerda en el extremo superior del viscos!metro y se amarra a la masa, de'ándola caer y tomando el tiempo una ve más. El proceso se realia 3asta que se logran anotar mediciones en total de altura y tiempo.
2: En la segunda parte de la experiencia usamos como datos la altura que se usó en la %ltima medición de la parte < de manera constante y variamos al momento de usar la masa, para obtener la viscosidad absoluta del fluido. Para comenar esta etapa se amarra la cuerda en la cima del viscos!metro, se enrolla y se ata a la primera masa 6de gramos7 y se de'a caer. 8omamos el tiempo y tenemos nuestras primeras mediciones. $olvemos a enrollar la cuerda a la cima del viscos!metro pero esta ve atamos una nueva masa 6de
@: En la tercera parte y final de la experiencia se realian mediciones para corroborar de manera emp!rica el efecto que tiene la variación de la temperatura en la viscosidad del fluido. Para esta parte se usan como datos constantes, la masa 6de CD gramos7 y la altura del fluido en el viscos!metro 6de KL mil!metros7. En primer lugar usamos como primera temperatura, la ambiente. Jealiamos el mismo proceso de enrollar la cuerda al viscos!metro, atamos la masa y la de'amos caer para medir el tiempo en desenrollarse la cuerda por completo. #uego se eleva
la temperatura del viscos!metro para elevar la temperatura del fluido, para realiarlo, los ayudantes utilian un transformador (4, el cual induce una corriente al viscos!metro provocando que este eleve su temperatura. #uego con la ayuda de un termómetro realiamos una nueva medición, procedemos a enrollar la cuerda a la cima del viscos!metro y una ve más de'amos caer la masa para tomar el tiempo. Jealiamos este proceso de tal manera de obtener cinco mediciones nuevas de temperatura y tiempo en total, suficientes para visualiar de me'or manera el comportamiento de la viscosidad en función de un aumento en la temperatura.
EUIPOS UTILIADOS
Para la presente experiencia se utiliaron los :nstrumentos que a continuación se detallan. $iscos!metro. Pie de metro. pesas de precisión de gr. a D
E?PRESI
DETERMINACI
#6mm7 << LL > FK KL
8iempo6s7 <,= F,C K,= <>
Jegresión lineal 86#7N (+# ? 3aciendo 86#7ND se obtiene #N2?Q( por lo tanto #N e se obtiene e N D,L= RcmS
Gráfco Longitud vs Tiempo 25 20 15
TIEMPO (s)
Tiempo 10 5 0 0
20
40
60
LONGITUD (mm)
80
100
VISCOSIDAD ABSOLUTA DE UN FLUIDO
atos* l N constante, m N masa variable. 8iempo 6s7 FF,= LF,F
9O < C L >
2
/
2
0asa 6gr
/ 6grQcm+s7 L,LK>LT L,T >,DF<<
2
( b − a ) ∙ k ∙ g∙ m∙t ¿ 4 ∙Π ∙a ∙b ∙ s ∙ ( l + e ) 2
2
4onstantes* a N C,C 6cm7 b N L,D 6cm7 @ N <,F 6cm7
s N
μ vs Ms 4.2 4 3.8
μ (gr!cm"s)
3.6 3.4 3.2 3 0
20
40
60
80
100
120
Ms (gr)
EFECTO DE LA VARIACI
atos* 0asa N CD 6constante7 l N KL 6constante7 9O
86O47
< C L >
CL LD > FD TD
8iempo 6s7 L,F C,K
/ 6grQcm+s7 L,>KF <,=CKL <,DKT= D,TL><
Grá#ico μ vs Tempertur 4 3.5 3 2.5
μ (gr!cm"s)
Valores Y
2 1.5 1 0.5 0 20
30
40
50
60
Tempertur ($%)
70
80
CONCLUSIONES
JOSÉ COVARRUBIAS
Una ve finaliada la experiencia como primer aspecto a resaltar es la veracidad del concepto de viscosidad y del postulado de que -a mayor temperatura disminuye la viscosidad del fluido y que -a mayor volumen aumenta la viscosidad del fluido. (3ora bien, al momento de analiar los datos con mayor raón se pudo determinar la veracidad de dic3os postulados quedando evidentemente comprobados. Esta experiencia fue muy %til para poder visualiar de una forma emp!rica la teor!a de la mecánica de los fluidos y en este caso el estudio del concepto de la viscosidad, el cual como quedó demostrado, se ve afectado por diferentes factores 6en este caso temperatura y volumen7. (demás aprendimos a calcular el factor -e el cual muestra las pérdidas de energ!a que posee el instrumento.
DANIEL ROBLEDO
En conclusión, de la presente experiencia, se pudo calcular la constante de corrección "e", la cual nos permitió obtener de manera clara y precisa los valores para la $iscosidad (bsoluta de un fluido, viscosidad manifestada al momento en que el fluido estuvo en movimiento, y mediante los valores obtenidos y tabulados se pudo calcular. (simismo, se pudo comprender de manera práctica la propiedad de viscosidad de un fluido, en nuestro caso al someter a ensayo el aceite de motor 5(E 2 >D, se pudo corroborar que a medida que aumentaba la masa, la viscosidad cinemática del fluido aumentaba, lo cual se puede ver refle'ado en los gráficos obtenidos. 4ontinuando con la experiencia, se demostró a su ve que un fluido al ser sometido a un aumento de temperatura, su viscosidad cae de manera considerable, indicando que la viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura a la cual está sometido. (l incrementarse la temperatura a un l!quido, la co3esión disminuye y por lo tanto, también lo 3ace la viscosidad. En los gases es diferente, pues, en estos las moléculas están más separadas entre s!, por lo cual la viscosidad depende en mayor grado de la rapide de transferencia de cantidad de movimiento, la cual, al aumentar temperatura también aumenta, es decir aumenta la viscosidad. Es primordial mane'ar bien el concepto de $iscosidad y las variables que puedan comprometer a ella, la temperatura o variables ambientales que puedan existir.
BIBLIOGRAFÍA
+ (puntes :ngeniero 4ivil $!ctor (ros + 1!sica 2 Verry . Hilson + 0ecánica de los 1luidos 2 $!ctor 5treeter. + 0ecánica de fluidos 2 )ptaciano #. $ásque Warc!a + 3ttp*QQeltami.comQCD
