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1. OBJETIVOS. 1.1. Determinar la fuerza que se ejerce ejerce sobre las superficies que están están en contacto con un fluido. 1.2. Determinar la posición del Centro Centro de Presiones sobre una superficie plana parcialmente sumergida sumergida en un líquido en reposo. 1.3. Determinar la posición del Centro Centro de Presiones sobre una superficie plana, completamente sumergida en un líquido en reposo.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO: Empuje hidrostático: principio de Arquímedes Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba. De acuerdo con el principio que lleva su nombre, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta experimenta un empuje vertical vertical y hacia arriba igual al peso peso del volumen de líquido desalojado.. La fuerza F sobre la cara superior estará dirigida hacia abajo y de acuerdo con la ecuación fundamental de la hidrostática su magnitud se podrá escribir como: F1 = p1S1 = (Po+ d.g.h 1).S1 Siendo S1la superficie de la cara superior y h¡ su altura respecto de la superficie libre del líquido. La fuerza Fz sobre la cara inferior estará dirigida hacia arriba y, como en el caso anterior, su magnitud será dada por: F2 =P2.S2 = (Po + d.g.h2),S2 La resultante de ambas representará la fuerza de empuje hidrostático E. E = F2 – F1 = (Po+ d.g.h 2)S2 - (Po + d.g.h1)S1 Pero, dado que S 1 = S2 = S y h 2= h1 + c, resulta: E = d.g.c.S = d.g. V = m.g Peso del cuerpo, mg Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p1 *A Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p2*A En el equilibrio tendremos que mg+p1*A= p2*A mg+ρf gx*A= gx*A= ρf g(x+h)*A g(x+h)*A o bien, mg=p¡h*Ag Laboratorio dos. Presión hidrostática en superficies sumergidas Página 1
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Equilibrio de los cuerpos sumergidos. De acuerda con el principio de Arquímedes, para que un cuerpo sumergida en un líquida esté en equilibrio, la fuerza de empuje E y el pesa P han de ser iguales en magnitudes y, además, han de aplicarse en el misma punto. En. tal caso la fuerza resultante R es cero y también la es el momento M, con la cual se dan las das condiciones de equilibrio.
Equilibrio de los cuerpos flotantes. Si un cuerpo sumergida sale a flote es porque el empuje predomina sobre el peso (E>P). En el equilibrio ambas fuerzas aplicadas sobre puntos diferentes estarán alineadas; tal es el caso de las embarcaciones en aguas tranquilas, par ejemplo. Si par efecto de una fuerza lateral, como la producida par un golpe del mar, el eje vertical del navío se inclinara hacia un lada, aparecerá un par de fuerzas que harán .oscilar el barco de un lada a .otro.
Fig1. Distribución de las fuerzas sobre un cuerpo sumergido La simetría de la distribución de las fuerzas permite deducir que la resultante de todas ellas en la dirección horizontal será cero. Pero en la dirección vertical las fuerzas no se compensan: sobre la parte superior de los cuerpos actúa una fuerza neta hacia abajo, mientras que sobre la parte inferior, una fuerza neta hacia arriba.
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES. FLOTACIÓN onsideremos el cuerpo sumergido EHCD (fig.2), actúa sobre la cara superior la fuerza de presión F p1, que es igual al peso del liquido representado en la figura por ABCHE,y sobre la cara inferior la fuerza de presión F p2 igual al peso del liquido representado en la figura por ABCDE. El cuerpo esta sometido, pues a un empuje ascensional, que la resultante de las dos fuerzas. FA = F p2 – F p1 Laboratorio dos. Presión hidrostática en superficies sumergidas Página 2
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pero F p2 – F p1 es el peso de un volumen de líquido igual al volumen del cuerpo EHCD, o sea igual al volumen del líquido desalojado por el cuerpo al sumergirse. Enunciado del principio de Arquímedes: “Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje ascensional igual al peso del líquido que desaloja”
Sobre el cuerpo sumergido EHCD actúa también su peso W o sea la fuerza de la gravedad, y se tiene: a) Si W > F A el cuerpo se hunde totalmente. b) Si W < FA el cuerpo sale a la superficie hasta que el peso del fluido de un volumen igual al volumen sumergido iguale al peso W c) Si W = F A el cuerpo se mantiene sumergido en la posición en que se le deje.
E = Peso del líquido desplazado = d líq . g . Vliq desplazado = d liq . g . Vcuerpo 3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
Vista general del equipo El accesorio consiste en un cuadrante montado sobre el brazo de una balanza que bascula alrededor de un eje. Cuando el cuadrante esta inmerso en el deposito de agua, la fuerza que actúa sobre la superficie frontal, plana y rectangular, ejercerá un momento con respecto al eje de apoyo. El brazo basculante incorpora un platillo y un contrapeso ajustable. Deposito con patas regulables que determina su correcta nivelación. Dispone una válvula de desagüe. El nivel alcanzado por el agua en el depósito se indica en una escala graduada.
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Especificaciones:
Capacidad del deposito: 5.5 litros Distancia entre las masas suspendidas y el punto de apoyo: 285 mm Área de la sección: 0.007 m2 Profundidad total del cuadrante sumergido: 100 mm Altura del punto de apoyo sobre el cuadrante: 100 mm Se suministra un juego de masas de distinto pesos: o 4 pesas de 100gr o 1pesa de 50 gr o 2 pesas de 20 gr o 2 pesas de 20 gr o 1pesa de 5 gr
Fundamento del equipo en la práctica: La fuerza que ejerce un fluido sobre una superficie sólida que esta en contacto con él es igual al producto de la presión ejercida sobre ella por su área. Esta fuerza, que actúa en cada área elemental, se puede representar por una única fuerza resultante que actúa en un punto de la superficie llamado centro de presión. 1. Inmersión Parcial. Tomando momentos respecto del eje (figura 1) en que se apoya el brazo basculante se obtiene la siguiente relación:
Donde γ(es el peso específico del agua 1000kg/m3)
2. Inmersión Total. Tomando momentos respecto a! eje (figura 2) en que se apoya el brazo basculante se obtiene:
Donde ho = h – d/2 es la profundidad del centro de gravedad de la superficie plana.
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4. MATERIALES Y EQUIPOS. . Equipo Hidráulico FME - OS Pesas:25 gr., 50 gr., 100gr.. 200. gr. . Balde Wincha
5. PROCEDIMIENTO. Centro de presiones para inmersión parcial y total 1. Acoplar el cuadrante al brazo basculante enclavándolo mediante los dos pequeños tetones y asegurándolo después mediante el tornillo de sujeción. 2. Medir y tomar nota de las cotas designadas por a, L, d y b; estas ultimas correspondientes a la superficie plana situada al extremo del cuadrante. 3. Con el depósito emplazado sobre el banco hidráulico, colocar el brazo basculante sobre el apoyo (perfil afilado) y colgar e] platillo al extremo del brazo. 4. Conectar con la espita de desagüe del depósito un tramo de tubería flexible, y llevar su otro extremo al sumidero. Extender, asimismo, la alimentación de agua desde la boquilla impulsora del banco hidráulico hasta la escotadura triangular existente en ]a parte superior del depósito. 5. Nivelar el depósito actuando convenientemente sobre los píes de sustentación, que son regulables, mientras se observa el "nivel de burbuja". 6. Desplazar el contrapeso del brazo basculante hasta conseguir que éste se encuentre horizontal. 7. Cerrarla espita de desagüe del fondo del depósito. S. Introducir agua en el depósito hasta que la superficie libre de ésta quede a nivel de la arista superior de la cara plana que presenta el cuadrante en su extremidad, y el brazo basculante esté en posición horizontal con ayuda de pesos calibrados situados sobre el platillo de balanza. 9. El ajuste fino de dicho nivel se puede lograr sobrepasando ligeramente el llenado establecido y, posteriormente, desaguando lentamente a través de la espita. Anotar el nivel del agua indicado en el cuadrante, y el valor del peso situado en el platillo. 10. Incrementar el peso sobre el platillo de balanza y añadir, lentamente agua hasta que el brazo basculante recupere ]a posición horizontal. 11. Tomar nota del nivel de agua y del peso correspondiente. 12. Repetir la operación anterior, varias veces, aumentando en cada una de ellas, progresivamente, el peso en el platillo hasta que, estando nivelado el brazo basculante. el nivel de la superficie libre del agua alcance la cota máxima señalada por la escala del cuadrante. 13. A partir de ese punto, y en orden inverso a como se fueron colocando sobre el platillo, se van retirando los incrementos de peso añadidos en cada operación. Se nivela el brazo (después de cada retirada) utilizando la espita de desagüe y se van anotando los pesos en el platillo y los niveles de agua. Laboratorio dos. Presión hidrostática en superficies sumergidas Página 5
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6.MEDICIONES Y RESULTADOS:
R = 0.255m EXP. N0 1 2 3
h´ (m) 0.096 0.096 0.096
b = 0.111m
h (m) 0.124 0.153 0.217
W (N) 0.990 2.971 8.757
X (m) 0.093 0.120 0.181
Fexperim Ftoerica %Error (N) (N)
0.028 0.374 0.426 12.20% 0.057 1.510 1.768 14.59% 0.121 7.383 7.968 7.341%
7.CALCULOS:
a) Determinación de la fuerza resultante experimental (F1). La sumatoria de momentos de las fuerzas actuantes con respecto al centro de curvatura debe ser cero, por tanto:
EXPERIENCIA número uno:
F1=
=0.374
EXPERIENCIA número dos:
F1=
=1.510
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EXPERIENCIA número tres:
F1=
=7.383
b) Determinación de la fuerza resultante teórica (F 2).
EXPERIENCIA número uno:
F2=9806(
= 0.426
EXPERIENCIA número dos:
F2=9806(
= 1.768
EXPERIENCIA número tres:
F2=9806(
= 7.968
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c) Determinación del porcentaje de error:
EXPERIENCIA número uno:
% error =
x
100=12.20%
EXPERIENCIA número dos:
% error =
x
100=14.59%
EXPERIENCIA número tres:
% error =
x
100=7.341%
8.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: El efecto de la presión hydrostatica en la fuerza horizontal que actúa sobre una superficie vertical plana se evidenció por la influencia que tiene el nivel del agua sobre la superficies parcial o totalmente sumergida. Es así que se demostró experimentalmente que a medida que aumenta el nivel del agua, se incrementa la presión hidrostática y por en-de la fuerza resultante perpendicular a la superficie en cuestión.
La altura del centro de presión también se incrementa (es decir tiende hacia la partesuperior de la superficie) con el aumento del nivel de agua.
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El perfil de la fuerza experimental presenta desviaciones poco significativas respecto al perfil de la fuerza teórica. Estas desviaciones son más acentuadas cuando la placa está parcialmente sumergida, pero disminuyen a medida que el nivel de agua aumenta. A un nivel de agua bastante considerable la desviación sería prácticamente imperceptible.
Se recomienda nivelar correctamente el equipo con ayuda de los tornillos ajustables para evitar cometer errores en las medidas tomadas.
9.BIBLIOGRAFÍA.http://www.walter-fendt.de/ph11s/hydrostpr_s.htm http://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtml http://www.geocities.com/erivera_bo/mec245_2.html
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