Dinámica de fluidos: ecuaciones de continuidad y Bernoulli

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUMBES
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Contenido
Introducción..............................................................................................................3
a) Flujos incompresibles y sin rozamiento....................................................3
b) Flujos viscosos: movimiento laminar y turbulento ..................................4
c) Flujos de la capa límite ...................................................................................6
d) Flujos compresibles........................................................................................6
Viscosidad .............................................................................................................7
1. Conceptos Básicos...........................................................................................9
 Caudal (Q)...........................................................................................................9
2. Ecuación de Continuidad..............................................................................12
3. Ecuación de Bernoulli....................................................................................14
4. Ecuación de Bernoulli para tubos Horizontales.......................................16
5. Análisis de la ecuación de Continuidad y Bernoulli................................17
 Concepto Uno: A Mayor Sección, Menor Velocidad................................19
 Concepto Dos: A Mayor Velocidad, Menor Presión.................................19
 Concepto Tres: A Mayor Sección, Mayor Presión ...................................21
6. Diferencia de Presión:....................................................................................22
 Ejemplos:..........................................................................................................22
7. Teorema De Torriccelli...................................................................................25

2
 Ejemplo:............................................................................................................26
Problemas................................................................................................................29
 Problema 1: ......................................................................................................29
 Problema 2: ......................................................................................................30
Bibliografía ..............................................................................................................35

3
Introducción
Dinámica de los fluidos: Flujos incompresibles y sin rozamiento. Ecuación de
Bernoulli. Flujos viscosos. Movimiento laminar y turbulento. Flujos de la capa
límite. Flujos compresibles. Viscosidad.
Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en
movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica
tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar
aquí algunos conceptos básicos.
a) Flujos incompresibles y sin rozamiento
Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, que afirma que la energía
mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es
constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas
de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada
punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas
individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los
efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad
aumenta cuando la presión disminuye.
Ecuación de continuidad: (para flujo estacionario e incompresible, sin fuentes ni
sumideros, por evaluarse a lo largo de una línea de corriente).
1) Ley de conservación de la masa en la dinámica de los fluidos:
Recordar que p = F/A ⇒F = p.A

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Flujo de volumen: (caudal).
Φ = A .v [m³/s]
Ecuación de Bernoulli: (principio de conservación de la energía) para flujo
ideal (sin fricción).
p1 + δ.v1²/2 + δ.g.h1 = p2 + δ.v2²/2 + δ.g.h2 = constante
p1/δ + v1²/2 + g.h1 = p2/δ + v2²/2 + g.h2
p/ δ = energía de presión por unidad de masa.
g.h = energía potencial por unidad de masa.
v²/2 = energía cinética por unidad de masa.
Ecuación de Bernoulli para flujo en reposo: v1 = v2 = 0
p1 + δ.g.h1 = p2 + δ.g.h2
b) Flujos viscosos: movimiento laminar y turbulento
Los primeros experimentos
cuidadosamente documentados del
rozamiento en flujos de baja velocidad a
través de tuberías fueron realizados
independientemente por Poiseuille y por
Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer
intento de incluir los efectos de la
viscosidad en las ecuaciones
matemáticas se debió a Navier e,
independientemente, a Sir George
Gabriel Stokes, quien perfeccionó las
ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se
las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se
pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula
a través de una tubería recta.
El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía
mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que
provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren
que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería

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ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos demostraron que esto
sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de
presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad.
Este problema se resolvió cuando Reynolds demostró la existencia de dos tipos
de flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluido siguen
las líneas de corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales coinciden
con las predicciones analíticas. A velocidades más elevadas, surgen
fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una
forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente.
Reynolds también determinó que la transición del flujo laminar al turbulento era
función de un único parámetro, que desde entonces se conoce como número
de Reynolds. Si el número de Reynolds (que carece de dimensiones y es el
producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería
dividido entre la viscosidad del fluido) es menor de 2.000, el flujo a través de la
tubería es siempre laminar; cuando los valores son mayores a 3000 el flujo es
turbulento. El concepto de número de Reynolds es esencial para gran parte de
la moderna mecánica de fluidos.
Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las
predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos
experimentales y modelos matemáticos; gran parte de la investigación moderna
en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia.
Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad
del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy
tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de
corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un
sistema de remolinos entrelazados.
Ecuación de Bernoulli para flujo real (con fricción)
p1/δ + v1²/2 + g.h1 = p2/δ + v2²/2 + g.h2 + H0
H0 = perdida de energía por rozamiento desde 1 hasta 2.

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c) Flujos de la capa límite
Los flujos pueden separarse en dos regiones principales. La región próxima a la
superficie está formada por una delgada capa límite donde se concentran los
efectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemático.
Fuera de esta capa límite, se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, y
pueden emplearse las ecuaciones matemáticas más sencillas para flujos no
viscosos.
La teoría de la capa límite ha hecho posible gran parte del desarrollo de las alas
de los aviones modernos y del diseño de turbinas de gas y compresores.
d) Flujos compresibles
El interés por los flujos compresibles comenzó con el desarrollo de turbinas de
vapor por el británico Parsons y el sueco Laval. En esos mecanismos se
descubrió por primera vez el flujo rápido de vapor a través de tubos, y la
necesidad de un diseño eficiente de turbinas llevó a una mejora del análisis de
los flujos compresibles. El interés por los flujos de alta velocidad sobre
superficies surgió de forma temprana en los estudios de balística, donde se
necesitaba comprender el movimiento de los proyectiles.

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Uno de los principios básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas
cambia cuando el gas se ve sometido a grandes cambios de velocidad y presión.
Al mismo tiempo, su temperatura también cambia, lo que lleva a problemas de
análisis más complejos. El comportamiento de flujo de un gas compresible
depende de si la velocidad de flujo es mayor o menor que la velocidad del sonido.
El sonido es la propagación de una pequeña perturbación, u onda de presión,
dentro de un fluido. Para un gas, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz
cuadrada de su temperatura absoluta. La velocidad del sonido en el aire a 20 °C
(293 Kelvin en la escala absoluta), es de unos 344 metros por segundo. Si la
velocidad de flujo es menor que la velocidad del sonido (flujo subsónico),las
ondas de presión pueden transmitirse a través de todo el fluido y así adaptar el
flujo que se dirige hacia un objeto. Por tanto, el flujo subsónico que se dirige
hacia el ala de un avión se ajustará con cierta distancia de antelación para fluir
suavemente sobre la superficie. En el flujo supersónico, las ondas de presión no
pueden viajar corriente arriba para adaptar el flujo. Por ello, el aire que se dirige
hacia el ala de un avión en vuelo supersónico no está preparado para la
perturbación que va a causar el ala y tiene que cambiar de dirección
repentinamente en la proximidad del ala, lo que conlleva una compresión intensa
u onda de choque.
El ruido asociado con el paso de esta onda de choque sobre los observadores
situados en tierra constituye el estampido sónico de los aviones supersónicos.
Frecuentemente se identifican los flujos supersónicos por su número de Mach,
que es el cociente entre la velocidad de flujo y la velocidad del sonido. Por tanto,
los flujos supersónicos tienen un número de Mach superior a 1.
Viscosidad
Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una
fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los
fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de
fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido
determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene
un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale
por el orificio es una medida de su viscosidad.

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La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que tiene
lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos
moléculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa
en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad
de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las
capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la
velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de
silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la
temperatura, por lo que son muy útiles como lubricantes cuando una máquina
está sometida a grandes cambios de temperatura.

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Hidrodinámica
1. Conceptos Básicos
 Caudal (Q)
Para la física la palabra caudal (Q) significa la cantidad de líquido que pasa en
un cierto tiempo. Concretamente, el caudal sería el volumen de líquido que
circula dividido el tiempo.

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¿Cómo se mide un caudal en la práctica?
Si queremos saber qué cantidad de agua sale por la canilla de tu casa, ponemos
un balde abajo y nos fijamos cuánto tarda en llenarse.
Calculamos el tiempo que demora en llenarse y procedemos a realizar el
cálculo para obtener dicho caudal.
Otra fórmula para el caudal (Q = VxS )
El caudal es el volumen que circula dividido el tiempo que pasa.
El líquido al moverse dentro del caño recorre una cierta distancia d. Entonces al
volumen que circula lo puedo poner como

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Volumen = Superficie del caño x distancia.
Tengo la canilla por la que sale el agua. Me dicen que salen 10 litros en 2
minutos. Entonces el caudal va a ser:
Para calcular la velocidad con que sale el agua planteo que el caudal es la
velocidad por la sección. La superficie de la canilla es 1 cm2. Entonces:

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2. Ecuación de Continuidad
Imagínate un caño que tiene un diámetro de 10 cm. Supongamos que por el caño
están entrando 5 litros por minuto. Pregunta:
¿Qué cantidad de líquido está saliendo por la otra punta del caño?

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Todo lo que entra, tiene que salir. Si entran 5 litros por minuto, tiene que estar
saliendo 5 litros por minuto.
Dicho de otra manera, el caudal que entra es igual al caudal que sale. Si entran
5, salen 5.
Si entran 10, salen 10.
Conclusión:
Como al caudal lo puedo poner como Velocidad x Superficie, la fórmula que me
queda es:
En esta fórmula Ve es la velocidad del líquido a la entrada y Se es la sección (=
superficie) del caño a la entrada. Lo mismo con VS y SS para la salida.
A esta fórmula ellos la llaman " ecuación de continuidad”. El nombre " continuidad
" significa algo así como que el caudal siempre es continuo, no se interrumpe.
Algo importante. Fíjate que pasa lo mismo si el tubo tiene un angostamiento o un
ensanche.
Aunque el caño cambie su sección, siempre se cumple que todo lo que entra
tiene salir.

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Así que esta ecuación de VexSe = VsxSs se usa siempre para todo tipo de tubo,
sea ancho constante o no. Esta fórmula no se podría usar únicamente si el caño
tuviera una pérdida en el medio o si el líquido pudiera comprimirse. (Como si
fuera un gas).
3. Ecuación de Bernoulli
Te diría que la ecuación de Bernoulli es la fórmula más
importante de toda esta parte de hidrodinámica. Es la que
más se usa y es la que trae más problemas. Te doy la
fórmula sin demostración. Esta ecuación es:
1.- Esta fórmula es la ecuación de la conservación de la energía para el líquido
que va dentro del tubo. Lo que uno plantea es la conservación de la energía.

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Conclusión:
Bernoulli no se puede plantear si el líquido tiene viscosidad. En los líquidos, al
rozamiento se lo llama viscosidad.
2.- Es muy común hacerse líos con las unidades en la ec. de Bernoulli. Es lógico
porque hay muchas letras raras. Te aclaro lo que significa cada cosa.
3.- Esta ecuación así como está vale en todos los casos y se puede usar siempre.
Sirve si el tubo es vertical, es horizontal o si está inclinado. Tubo inclinado o tubo
vertical es lo más difícil que te puede llegar a tomar. Mira bien estas 2 situaciones
para que puedas reconocerlas si llega a aparecer un problema de este tipo. Un
tubo vertical es lo siguiente:

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El líquido puede estar subiendo o bajando. En este dibujo el líquido sube. El
líquido también puede estar bajando. En ese caso cambian la entrada y la
salida
La otra situación complicada que puede aparecer es tubo inclinado. Sería este
caso:
A su vez los tubos verticales o inclinados pueden cambiar de sección en el
medio. O sea pueden cambiar de diámetro y hacerse más angostos o más
anchos.
4. Ecuación de Bernoulli para tubos Horizontales
Hay algo que puede llegar a salvarte si te toman un problema de Bernoulli. Es el
caso de que el tubo esté horizontal. Si el tubo está horizontal la ecuación se
reduce un poco.
Concretamente, los términos de la ecuación que tenían h se simplifican. Esto pasa
porque al ser el tubo horizontal, la altura en la entrada es igual a la altura en la salida.
Entonces, para tubos horizontales la ecuación queda así:

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Van las mismas aclaraciones que te dije para la ecuación de Bernoulli completa:
5. Análisis de la ecuación de Continuidad y Bernoulli.
En hidrodinámica tenemos 2 (dos) ecuaciones que se usan para resolver los
problemas.
Estas ecuaciones son las de continuidad y la de Bernoulli. Acá van:

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La ecuación de continuidad me dice que todo el caudal (l/seg) que entra por un
lado de un tubo, tiene que salir por el otro lado del tubo. Esto vale tanto si el tubo
tiene diámetro constante como si el diámetro cambia. (Angostamiento o
ensanche).
En la ecuación de continuidad v es la velocidad del líquido y va en m/s. S es la
superficie del tubo. Va en m2. Acuérdate por favor que la superficie de un círculo
es: Sup = p. r2.
Si pensamos un poco, vas a ver que el término VxS da en m3/seg. Esto es lógico
porque el término VxS es el caudal que circula.
Acuerdate también que cuando yo digo “caudal que entra”, puedo estar hablando
de litros/seg, m3/seg o Kg/seg. Tenemos que saber pasar de una unidad a otra.
Vamos ahora a la ecuación de Bernoulli. En la ecuación de Bernoulli, Pe es la
presión a la entrada del tubo y Ps es la presión a la salida del tubo. Van en la
fórmula en Pascales. ( Pa = Newton/m2 ). d (delta) es la densidad del líquido que
circula. Va en Kg/m3
.Ve y Vs son las velocidades a la entrada y a la salida del tubo. Van en la fórmula
en m/seg.
g es la aceleración de la gravedad. Es siempre positiva y vale 10 m/seg2
h (hache) es la altura del tubo al suelo. Si el tubo es horizontal h1 = 0 y h2 = 0.
(No hay altura). h1 y h2 van en la ecuación en m.

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 Concepto Uno: A Mayor Sección, Menor Velocidad
De la ecuación de continuidad hago una deducción importante: si el valor VxS
siempre se tiene que mantener constante, entonces donde el tubo sea más
angosto LA VELOCIDAD SERÁ MAYOR.
Esto pasa porque el caudal que circula es constante. Entonces si el tubo se hace
más angosto, para que pueda circular el mismo caudal, la velocidad de líquido
tiene que aumentar. Exactamente lo contrario pasa si el caño se hace más
ancho. La velocidad del líquido tiene que disminuir para que pueda seguir
pasando el mismo caudal.
 Concepto Dos: A Mayor Velocidad, Menor Presión
Algo importante que se puede deducir de la ecuación de Bernoulli es que en el
lugar donde la velocidad del líquido que circula sea mayor, la presión será menor.
Aclaración importante:
Esto pasa solo si el tubo es horizontal. (Ojo). Recuerda la fórmula para tubos
horizontales:

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Es un poquito complicado explicar cómo se deduce que a mayor velocidad del
líquido, menor presión. A ver si me seguís: Fíjate que la ecuación tiene 2 términos
del lado izquierdo y 2 términos del lado derecho.
En realidad el término Pe + ½ d Ve2 vale lo mismo que el término PS + ½ d Vs2.
Quiero decir, si el lado izquierdo de la ecuación vale 5, el lado derecho también
tiene que valer 5.Entonces, fíjate esto. Supongamos que vos estás regando con
una manguera y apretamos la punta. El diámetro de la manguera se achica y
ahora el agua sale con mayor velocidad.
Lo que hago es aumentar la velocidad de salida. Al aumentar la velocidad de
salida, la Presión de salida tendrá que disminuir. ¿Por qué?
Rta: Bueno, v aumenta, pero el término PS + ½ d Vs2 tiene que seguir valiendo
lo mismo que antes. Entonces PS tiene que hacerse más chica para que se siga
cumpliendo la igualdad.
Es decir que si la velocidad a la salida aumenta, la presión a la salida va a
disminuir.
Este concepto de que " a mayor velocidad, menor presión " es bastante anti-
intuitivo. Lo que termina pasando es al revés de lo que uno diría que tiene que
pasar. Lo razonable sería decir que " a mayor velocidad, mayor presión”. Pero
no es así. Lo que ocurre en la realidad es lo contrario. Es decir, repito, a mayor
velocidad, menor presión.
El concepto de " mayor velocidad, menor presión " tenés que saberlo porque se
usa un montón en los problemas. También es común que tomen preguntas
teóricas que finalmente se terminan resolviendo aplicando la idea de que " a
mayor velocidad, menor presión”.

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 Concepto Tres: A Mayor Sección, Mayor Presión
Hasta ahora relacioné el concepto de sección con el de velocidad y el concepto
de velocidad con el de presión. Ahora voy a relacionar el concepto de sección
con el de presión. Fíjate:
Por un lado te dije que a menor sección, mayor velocidad. (Continuidad). Por otro
lado te dije que a mayor velocidad, menor presión. (Bernoulli en tubos
horizontales). Uniendo estas 2 ideas en una sola, puedo decir que a menor
sección, menor presión. O lo que es lo mismo, a mayor sección, mayor presión.
Esta conclusión significa que donde mayor sea el diámetro del tubo, mayor va a
ser la presión en el líquido que circula. (Esto vale sólo para tubos horizontales).
Si pensamos un poco te vas a dar cuenta que esta conclusión también es
bastante anti-intuitiva. Pero bueno, Así son las cosas. (Bienvenido a la
hidrodinámica).
Hagamos un esquema y resumamos las 3 frases célebres de la
hidrodinámica:

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6. Diferencia de Presión:
Diferencia significa resta. Esto quiere decir que te están pidiendo que hagas la
cuenta Psalida – Pentrada . Entonces:
 Ejemplos:
Por un caño horizontal circula un caudal de 10 m3/seg de agua.
A) - calcular la velocidad del agua en una parte donde al caño tiene una
Sección de 2 m2 y en otra parte donde el caño tiene una sección de 1 m2
B) – calcular la diferencia de presión que existe entre estas 2 secciones
C) - donde es mayor la presión, ¿en la sección de 2 m2 o en la de 1 m2?

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Hago un dibujito de lo que plantea el problema. Tengo un caño horizontal por
donde circula un caudal de 10 m3/seg de agua.
a) - Para calcular las velocidades a la entrada y a la salida planteo continuidad:
Q = V x S
El caudal me lo dan y es de 10 m3/seg. Entonces calculo las velocidades:

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b) – Para calcular la diferencia de presión planteo Bernoulli para tubos
horizontales:
Como me piden la diferencia de presión, voy a pasar las 2 presiones para el
mismo lado.
Me queda:
Conviene recordar la expresión de Bernoulli escrita así. A alguna gente le resulta
más fácil trabajar con la ecuación puesta en función de la diferencia de
presiones. Reemplazando por los datos me queda el siguiente.

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c) – La presión a la entrada es mayor que a la salida. Me doy cuenta de eso
porque a la entrada la velocidad es menor (La sección a la entrada es más
grande). Y como la velocidad es menor, la presión será mayor. Para deducir
esto apliqué el principio de mayor velocidad, menor presión.
7. Teorema De Torriccelli
Hay algunas situaciones que suelen tomar en los parciales. Pueden ser
preguntas teóricas o pueden ser problemas en donde haya que aplicar Bernoulli.
Fíjate:
Imagínate un tanque con agua. Le haces un agujero a una profundidad h por
debajo de la superficie. El agua va a empezar a salir con cierta velocidad.
El teorema de Torriccelli te da la manera de calcular la velocidad con la que sale
el agua por el agujero. La fórmula de Torriccelli es:

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En esta fórmula g es la aceleración de la gravedad. Vs es la velocidad con la que
sale el agua en m/s. Hache es la profundidad del agujero. Va en metros y se
mide desde la superficie del agua. Atención: El agujero puede estar en las
paredes o en el fondo del tanque.
 Ejemplo:
1.- Un frasquito contiene alcohol de densidad 0,8 g /cm3. Se le hace un agujerito
de 1 mm de radio en el costado a una distancia de 20 cm por debajo de la
superficie del líquido. Calcular con qué velocidad sale el alcohol por el agujerito.
Solución: Aplico el teorema de Torriccelli. La velocidad de salida es raíz de 2
ge hache.
Entonces:
NOTA: La velocidad con que la que sale el agua no depende de la densidad del
líquido ni del tamaño del agujerito.

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2.- SIFON
Para la física, un sifón es un cañito que se usa para pasar líquidos de un lado a
otro. Vendría a ser una cosa así:
Lo que uno puede calcular aplicando Bernoulli es la velocidad con que va a
salir el agua.
Al igual que pasa en el teorema de Torriccelli, acá también la velocidad de
salida es raíz de 2 ge hache:
Calcular con que velocidad sa le aceite de densida d 0,8 g/cm3Por un sifon de
radio 1 cm .

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Solución: Aplico la fórmula para el sifón. La velocidad de salida es raíz de 2 ge
hache.
Entonces:
NOTA: La velocidad de salida no depende de la densidad del líquido ni del
tamaño o forma del tubo.

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Problemas
 Problema 1:

30
 Problema 2:

31

32

33

34

35
Bibliografía
1. Fodonto Hidrostática
S/F http://www.fodonto.uncu.edu.ar/upload/hidrodinamica.pdf
8. Scrib. Guía de Ejercicios.
S/F http://es.scribd.com/doc/44500124/Guia-Ejercicios-
Resueltos-Hidrodinamica-Caudal-y-Bernoulli

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