UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN Campus III DES-DAIT
ALUMNO: Oved Alejandro Torres
SEMESTRE: 5to semestre
PROFESOR: Dr. Miguel Ángel Meza Izquierdo.
TEMA: Investigación de Presión y Viscosidad
FECHA: 9 de Septiembre de 2016.
Introducción
Los fluidos son parte importante y critica de la mecánica, están presentes ampliamente en diferentes industrias. Se usan en la hidráulica, presas, tuberías, drenajes y por supuesto múltiples usos en cuanto a motores o mecanismos. Es evidente la gran importancia de conocer las propiedades de algún fluido para saber cuál es el más apto para realizar alguna tarea. Tienen muchas propiedades y diferentes maneras de determinarlas y medirlas, pero en esta breve investigación solo se enfocara en la presión y viscosidad de los fluidos. Cada propiedad se definirá de la manera más concisa posible y de igual manera los diferentes tipos que cada una tiene. Existen variedad de instrumentos para medir estas propiedades y solo se mencionaran los más usados o los más conocidos para cada propiedad. Las principales características resultaran muy sencillas de asimilar y así tener un mejor entendimiento del tema. Se agregó una breve descripción de algunas normas para clasificar algunos fluidos lubricantes que mejoraran aún más la comprensión de estas propiedades. Es un trabajo muy sencillo que puede ayudar a obtener conceptos muy claros sobre las propiedades mencionadas.
Presión La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión viene dada por: 𝐹 P= 𝐴
Se destacan las siguientes propiedades de los fluidos: - La presión en un punto de un fluido en reposo es igual en todas direcciones. - La presión en todos los puntos situados en un mismo plano horizontal en el seno de un fluido en reposo es la misma. - En un fluido en reposo la fuerza de contacto que ejerce en el interior de un fluido una parte del fluido sobre la otra contigua al mismo tiene la dirección normal a la superficie de contacto. - La fuerza de la presión en un fluido en reposo se dirige hacia el interior del fluido, es decir, es una compresión, jamás una tracción. - La superficie libre de un líquido en reposo es siempre horizontal.
En un fluido (gas o líquido) este ejerce presión no solo en el fondo del recipiente que lo contiene, también lo hace en las paredes, es decir, ejerce presión en todas direcciones, a esta presión se le conoce como presión hidrostática del fluido. Fig.1
Cuando se calcula la presión hidrostática, la fuerza aplicada corresponde al peso específico del fluido y no depende del área del recipiente con el que el fluido tiene contacto, sino de la altura (profundidad) que tenga. La presión hidrostática se denota como 𝑃𝐻 y su fórmula es la siguiente: Fig.2
𝑃𝐻 = ρgh Donde: 𝑃𝐻 = presión hidrostática (Pascales) ρ = densidad (Kg/𝑚3 ) g = aceleración de la gravedad (𝑚 /𝑠 2 ) h = altura (m)
Queda claro, entonces, que la presión hidrostática es la presión que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente o cualquier objeto que se encuentre sumergido y que depende de la altura que tenga el líquido en el recipiente o de su profundidad. Hay múltiples unidades para medir la presión, a continuación se presenta una tabla con algunas de esas unidades y sus equivalencias.
Tipos de Presión Podemos clasificar la presión de la siguiente manera: -
Presión Atmosférica Presión manométrica Presión absoluta Presión de vacío
Presión Atmosférica Es la presión ejercida por la atmosfera sobre cualquier cuerpo en la tierra. La presión atmosférica en un punto representa el peso de una columna de aire de área de sección recta unitaria que se extiende desde ese ese punto hasta el límite superior de la atmosfera. La presión atmosférica o barométrica varía con la temperatura y la altitud. La presión media normal a 0° C y al nivel del mar es de 1.01396 bar y se le llama atmosfera normal. Atmosfera normal ------------------- 1.101396 bares Atmosfera técnica ----------------- 1 bar Atmosfera local y temporal ------- presión atmosférica reinante en un lugar y tiempo determinados.
Presión Manométrica Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica solo en los casos en que la presión es mayor a la atmosférica.
Presión Absoluta La presión absoluta es la cantidad de presión total sobre una superficie, es decir, es la suma de la presión manométrica y la atmosférica.
Presión de Vacío Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío y se miden mediante medidores de vacío que indican la diferencia entre las presiones atmosférica y absoluta.
Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas positivas y se relacionan entre sí mediante 𝑃𝑚𝑎𝑛 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 − 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑃𝑣𝑎𝑐í𝑜 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑎𝑏𝑠
Fig.3
En la fig.3 se muestra claramente las relaciones entre los tipos de presiones.
Dispositivos de Medición de Presión Existen diferentes instrumentos para medir la presión, algunos toman medida de la presión manométrica otros para la presión atmosférica, de igual manera se pueden relacionar las presiones y así obtener la presión requerida o faltante. Manómetro Un manómetro consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite. Para que el manómetro tenga un tamaño manejable se usan fluidos pesados como el mercurio, si se anticipan grandes diferencias de presión.
Fig.4
Barómetros Los medidores de presión más conocidos son los barómetros, ya que son utilizados para medir la presión atmosférica como un indicador de los cambios climáticos en cualquier región. Lo que realmente hacen estos barómetros es medir cual es la presión ejercida por el peso de la atmosfera por unidad de superficie, dependiendo del sistema de
medición que se utilice. Las diferentes dimensiones utilizadas para la presión atmosférica comprenden los kilogramos por centímetro cuadrado, libras por pulgada cuadrada, milímetros de mercurio y atmósferas, entre otros.
Fig.5
Barómetro de mercurio Un barómetro de mercurio ordinario está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el líquido del tubo suba o baje ligeramente.
Fig.6
Barómetro Aneroide
En el barómetro aneroide la presión atmosférica deforma la pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. El barómetro es la base de todos los pronósticos meteorológicos.
Fig.7
Otro tipo de dispositivo mecánico de medición de presión de uso común es el tubo de Bourdon. Este instrumento consiste en un tubo metálico hueco y curvado como un gancho, cuyo extremo está cerrado y conectado a una aguja indicadora de disco. Cuando el tubo se encuentra abierto a la atmosfera no tiene desviación y la aguja indicadora de disco en este estado se calibra a cero. Cuando se presuriza el fluido dentro del tubo, éste se alarga y mueve la aguja en proporción a la presión aplicada.
Fig.8
Los modernos sensores de presión, llamados transductores de presión, utilizan varias técnicas para convertir el efecto producido por la presión a otro tipo electrico como el cambio de voltaje, reistencia o capacitancia. Los transductores de presión son más pequeños y más rápidos y pueden ser más sensibles, confiables y precisos que su contraparte mecánicas.
Viscosidad La viscosidad es una magnitud que representa la “resistencia a fluir” o densidad de un fluido. A mayor viscosidad, más espeso es el fluido y a menor viscosidad, menos espeso. También se dice que viscosidad 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 buena para ciertas aplicaciones. En la fig.9 se ve un fluido comprendido entre dos placa paralelas, de las cuales la inferior es fija. La placa superior se mueve al estar sometida a una fuerza F paralela a las placas, por pequeña que sea la fuerza. El fluido, en contraposición con el sólido, no puede soportar esfuerzo tangencial alguno. Fig.9
Entre las moléculas de un fluido existen fuerzas moleculares que se denominan fuerzas de cohesión. Al desplazarse unas moléculas con relación a las otras se produce a causa de ellas una fricción. Por otra parte, entre las moléculas de un fluido en contacto con un sólido y las moléculas del solido existen fuerzas moleculares que se denominan fuerzas de adherencia. El coeficiente de fricción interna del fluido se denomina viscosidad. Solo se manifiesta en líquidos en movimiento. Se clasifica en dos tipos: viscosidad dinámica y viscosidad cinemática. Viscosidad Dinámica La viscosidad absoluta o dinámica es una propiedad de los fluidos que indica la mayor o menor resistencia que estas ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidas a un esfuerzo cortante. Tiene una Fuerte dependencia con la temperatura pero no hay tanta dependencia con la presión. Algunas unidades a través de las cuales se expresa esta propiedad son el Poise (P), y el centipoise (cP) en el Sistema Cegesimal de Unidades y en el SI su unidad es el pascal-segundo. A continuación se presentan otras unidades y sus equivalencias. 1 poise (P) = 0,1 Pa·s 1 centipoise (cP) = 10-3 Pa·s 1 kps/m2 = 9,80665 Pa·s 1 kph/m2 = 3,532·10-4 Pa·s 1 lb/(ft·h) = 4,1338·10-4 Pa·s 1 kg/(m·s) = 1,0000 Pa·s 1 Reyn = 6,890·103 Pa·s
En un líquido la viscosidad disminuye cuando la temperatura aumenta, pero en un gas, la viscosidad aumenta cuando aumenta la temperatura. Entonces se llama viscosidad dinámica o simplemente viscosidad (𝜇) de un fluido a la resistencia que éste opone a su deformación, o dicho de otro modo, a que las láminas de un fluido deslicen entre sus inmediatas. Se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad, generalmente se representa con la letra griega 𝜇: 𝜇=
𝜏 𝑑𝑣/𝑑𝑦
Viscosidad Cinemática . La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad absoluta o dinámica y la densidad de un fluido Esta suele denotarse como 𝜐 por lo cual: 𝜐=
𝜇 𝜌
Un ejemplo sería imaginar dos fluidos distintos con igual viscosidad absoluta los cuales se hacen fluir verticalmente a través de un orificio. Aquel de los fluidos que tenga mayor densidad fluirá más rápido, es decir, aquel que tenga mayor viscosidad cinemática. Sus unidades en el Sistema Cegesimal es el Stoke(St) y en el SI es el A continuación otras unidades y sus equivalencias.
m2/s.
1 stokes (St) = 10-4 m2/s 1 centistokes (cSt) = 10-6 m2/s 1 dm3/hrin = 1,0936·10-5 m2/s 1 ft2/h = 2,5806·10-5 m2/s 1 ft2/s = 9,2903·10-2 m2/s
Instrumentos de medición de Viscosidad A los instrumentos utilizados para medir la viscosidad de un fluido y algunos otros parámetros de flujo se les denomina viscosímetros. A continuación se identifican tres tipos principales de viscosímetros, los viscosímetros de cilindros coaxiales, los viscosímetros análogos y los viscosímetros rotacionales digitales.
Viscosímetros de cilindros coaxiales Este tipo de viscosímetros consta de dos cilindros, uno interno y otro externo. Lo que permiten los viscosímetros de cilindros coaxiales es realizar la medida de la viscosidad absoluta de un fluido. Por lo regular se utiliza en aplicaciones donde se tiene que medir el nivel de viscosidad de productos como pinturas, productos alimenticios, suspensiones, entre otros.
Fig.10
Viscosímetros análogos Estos se forman con un disco o un cilindro que se encuentra suspendido y gira por la acción de un motor sincrónico. La lectura de la medida del nivel de viscosidad se expresa por una serie de medidas grabadas en el disco o en el cilindro que se utilice. Este tipo de viscosímetros suele ser utilizado en la industria alimenticia, farmacéutica y en la medición de viscosidad de pinturas y grasas. Fig.11
Viscosímetros rotacionales digitales Para asegurar una medición exacta del nivel de viscosidad de fluidos, los viscosímetros rotacionales digitales resultan ser los más aptos para la tarea. Estos son controlados a través de un microprocesador, esto elimina por completo los errores humanos al momento de interpretar las medidas de viscosidad. Su nivel de exactitud y precisión en las medidas es alto, por lo regular cuentan con dispositivos de medición y control de temperatura del fluido analizado para garantizar un ambiente constante de medición. Fig.12
Clasificación de los lubricantes Clasificación API
La clasificación de aceites API fue creada por el American Petroleum Institute en 1947. Es un organismo técnico y comercial que representa a los productores de derivado de petróleo en los E.E.U.U. El API contacta con los fabricantes de motores y vehículos para evaluar el rendimiento de los aceites existentes en el uso cotidiano, y para predecir los requerimientos futuros. En 1970 en colaboración con la SAE y la ASTM (American Society for Testing of Materials), se creó la actual clasificación de aceites a los que se han realizado numerosos ensayos relacionados con el uso real y diario. Emite unas normas que contienen un cierto número de ensayos que han sido diseñados para simular áreas y condiciones críticas de lubricación en el motor. Solo para los aceites que reúnen todos estos requerimientos se puede declarar el cumplimiento del Nivel de Calidad API correspondiente. Esta clasificación divide los aceites lubricantes en dos series denominadas: -
“S” para motores de gasolina “C” para motores Diésel Cada grupo se divide en varias categorías denominadas por la letra indicativa de la serie seguida de una segunda letra que establece el nivel de calidad en orden alfabético creciente. Cuanta más alta es la segunda letra, mayor calidad tiene el aceite. A continuación solo se presenta la serie “S”: Estas categorías se han ido desarrollando a lo largo de los años, de forma que, con cada nueva letra que se añade, la calidad del aceite es mayor, de forma que se pueden utilizar en motores con el mismo año de fabricación o anteriores.
Clasificación SAE La clasificación SAE fue creada por la Society of Automotive Engineers (Sociedad Norteamericana de Ingenieros del Automóvil) Esta clasificación toma como referencia la viscosidad del aceite lubricante en función de la temperatura a la que está sometido durante el funcionamiento del motor, por lo que no clasifica los aceites por su calidad, por el contenido de aditivos, el funcionamiento o aplicación par condiciones de servicio especializado o el tipo de motor al que va destinado el lubricante: de explosión o Diésel. Establece una escala numérica de aceites de motor de 10 grados SAE, que comienza en el grado SAE 0, indicativo de la mínima viscosidad de los aceites o de su máxima fluidez. Conforme el número del grado va aumentando, la viscosidad se va haciendo mayor y el aceite es más espeso. Los motores modernos son cada vez más rápidos y están construido con menor tolerancia de montaje entre las piezas, lo que requiere la utilización de aceites de bajo grado SAE, con la fluidez suficiente para circular libremente y que formen películas de espesor más fino manteniendo el grado de lubricación.
Conclusión
Los conceptos resultaron muy sencillos y fáciles de comprender, todo esto llevo a entender las bases de las propiedades y su gran diversidad de aplicaciones. Se conocieron los diferentes tipos de presión y la manera en que se relacionan. La explicación grafica ayudo mucho a terminar de comprender como es que se ubicaban estas presiones. De igual manera se definió la viscosidad y se distinguieron sus distintos tipos y la manera en que se relacionan. Para ambas propiedades se proporcionó la descripción de distintos instrumentos de medición y la manera en que se aplican. Entonces los fluidos son más complicados de lo que se pensaría ya que tienen propiedades al igual que los sólidos pero resulta un poco más difícil imaginar el comportamiento de los fluidos ya que talvez sus cambios debido a sus propiedades no son tan obvios como otros objetos. Claro que además de la presión y la viscosidad existen otras propiedades de los fluidos y todos en su conjunto son estudiados en la mecánica de fluidos, de esta manera se comprende de manera muy precisa las características de cada fluido y se puede determinar en qué campo de aplicación usar algún fluido en específico para aprovechar sus propiedades y características de la manera más correcta posible.
Referencias
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L. Streeter, Victor, Mecanica de los fluidos, Mcgraw-Hill de México 1970
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A. Cengel, Yunus, A. Boles, Micheal, Termodinamica 5ta edicion, Mcgraw-Hill 2006
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Mataix, Claudio, Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas 2da edición Ediciones del Castillo 1986
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http://www.academia.edu/16366884/C%C3%A1lculo_de_viscosidad_din%C3 %A1mica
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https://www.quiminet.com/articulos/funcionamiento-y-tipos-de-viscosimetros2665142.htm
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http://documents.mx/documents/viscosidad-api-y-sae-en-aceites.html
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http://servicios.educarm.es/templates/portal/ficheros/websDinamicas/21/clasifi ca_api.doc
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http://servicios.educarm.es/templates/portal/ficheros/websDinamicas/21/clasifi ca_sae.doc
