Laboratorio # 3 (Fuerza Sobre Superficies Planas) (1) (2)

Guía de laboratorio de la carrera licenciatura en ingeniería mecánica Área curricular: Energía Asignatura: Mecánica de Fluidos I Título de la experiencia: Fuerza sobre superficies planas Objetivo general: Evaluar fuerzas causadas por presión en superficies sumergidas. Objetivos específicos: ─ Evaluar experimentalmente el punto de acción de la fuerza de presión resultante que actúa sobre una superficie plana sumergida. ─ Evaluar el nivel de acercamiento entre los resultad obtenidos experimentalmente y resultados similares obtenidos usando conceptos aprendidos en clase. Metas: ─ Utilizando el equipo disponible, determinar el momento que hace balance al momento causado por la fuerza de presión sobre una superficie plana sumergida. ─ Determinar el tiempo que demora una esfera de masa y dimensiones conocidas en caer libremente a la fuerza de presión usando principios teóricos. ─ Determinar el punto de aplicación de la fuerza de presión utilizando el momento de balance anteriormente determinado y la fuerza calculada teóricamente. ─ Comparar el resultado del punto de aplicación experimentalmente calculado con otro punto de aplicación determinado usando únicamente elementos teóricos. Contenido: La magnitud de la fuerza de presión que actúa sobre una superficie sumergida depende de la profundidad a la que se encuentra el centroide de la superficie sumergida, mientras que el punto de acción depende de otros parámetros tales como el momento de inercia de área adicional al la profundidad del centroide. Una revisión más extensa de lo antes mencionado se puede encontrar en la sección 3-5 del libro de Çengel y Cimbala, 2007. El equipo a utilizar es muy similar al mostrado en la figura 1. El brazo curvo sumergido tiene centro en el punto pivote de la barra a la que esta adherida el peso que produce el momento de balance por cualquier fuerza de presión que actúe sobre las superficies curvas de la figura no produce momento con respecto al pivote. Esto hace que la única fuerza de presión que produce momento con respecto al pivote es la fuerza F que se muestra en la figura que actúa sobre la superficie de altura h y ancho w mostrado en la figura. Estas dimensiones h y w son iguales a 100 mm y 50 mm, respectivamente. Los radios Ri y Ro tienen dimensiones de 100 mm y 200 mm, respectivamente. El contrapeso denominado wight hanger en la figura tiene una masa de 350 g. La dimensión L representa la distancia horizontal entre el contrapeso y el pivote y esta distancia depende cuanto liquido, en este caso agua, se vierte en el recipiente que contiene el elemento curvo. Las distancia y es la distancia vertical entre el pivote y el nivel de líquido y yF es la distancia vertical entre el nivel de agua y el centro de presión. Ambas distancias verticales dependen de la cantidad de agua usada y la distancia yF es la que se desea determinar experimentalmente para comparar con el resultado teórico como se menciona en los objetivos. Metodología y procedimiento: ─ Mediciones. ─ Discusión grupal de los resultados y la experiencia. ─ Análisis cuantitativo de los resultados. ─ Análisis cualitativo de los resultados.

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Figura 1. Dispositivo utilizado para evaluar fuerzas sobre superficies planas

Para completar la experiencia se realizaran los siguientes pasos: 1. El equipo para evaluar fuerzas sobre superficies sumergidas cuenta con un anexo en forma de medio cilindro para evaluar fuerzas sobre superficies curvas. Asegúrese que este anexo sea removido. 2. Remueva la componente superior del equipo de tal manera que solo quede el depósito inferior (no mostrado en la figura) expuesto. 3. Llene el depósito inferior de agua. 4. Transfiera agua desde la cámara inferior a la superior hasta que el nivel le agua cubra parcialmente o totalmente la superficie de dimensiones w y h tal y como lo indique el instructor. 5. Determine la temperatura del agua para evaluar sus propiedades. 6. Mueva la posición del contrapeso hasta que la barra sostenida por el pivote alcance una posición vertical como la mostrada en la figura. 7. Mida las distancia L y y. 8. Calcule el momento que produce sobre el punto pivote el contrapeso. 9. Determine la distancia entre el nivel de agua y el centroide de la superficie sumergida. Calcule la fuerza de presión. 10. Haciendo un balance de momento sobre el pivote, calcule la distancia yF experimental. 11. Usando conceptos teóricos determina el valor de la distancia yF esperada. 12. Compare los dos valores de yF y comente acerca de posibles causas de discrepancia. 13. Repita los pasos 4 a 12 para al menos otro nivel de agua en la cámara superior. 14. El profesor decidirá la manera en que deben presentarse los resultados. Evaluación: ─ Asistencia. ─ Participación y discusión durante la sesión de laboratorio. ─ Entrega de reporte según indicaciones proporcionadas por el instructor. Recursos: 1. Espacio físico. 2. Equipo disponible 3. Texto de referencia y otros recursos bibliográficos. Referencia: 1. Çengel, Y., Cimbala, J., 2007, MECANICA DE FLUIDOS: Fundamentos y Aplicaciones, McGraw-Hill

Anexo Ecuaciones teóricas para determinar la fuerza hidrostática (F) y su distancia al centro de presión (yF), en el caso de una placa rectangular plana vertical sumergida: