Informe3 HidrodináMica
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Esta práctica analiza aplicaciones de los fluidos en movimiento a través de 6 experimentos. Los experimentos demuestran principios como las fuerzas de sustentación y arrastre que permiten el vuelo, variaciones de presión en un tubo de Venturi, y equilibrio de fuerzas sobre una esfera expuesta a un chorro de aire. También se comprueba experimentalmente el teorema de Torricelli y se observa el efecto de la presión en hojas de papel. Los resultados apoyan conceptos clave de la hidrodinámica como la ecuación de
![HIDRODINÁMICA OBJETIVOS. Analizar aplicaciones de los fluidos en movimiento. EQUIPO. Agua Lavacara Ventilador Dos hojas de papel* Tijeras* Lata pequeña vacía (altura mínima: 20 cm)* Clavo* Regla* Nota: Los materiales marcados con * deben ser traídos por cada estudiante. RESUMEN. En esta práctica, analizaremos diferentes aplicaciones de los fluidos en movimiento. La práctica consiste en la realización de una serie de experimentos y observaciones que nos ayudarán a comprender de una mejor manera las aplicaciones de los principios de la Hidrodinámica en diversos campos de la ingeniería y la ciencia La aplicación de la ecuación de la ecuación de Bernoulli en esta práctica es fundamental para cada experimento a realizar, ya que todas las observaciones que haremos se basan en que al aumento de la velocidad de un fluido la acompaña o es compensado con una disminución de presión y viceversa. Esta práctica consta de 6 experimentos, las cuales son sencillas de realizar y que con el equipo adecuado es posible desarrollarlas en cualquier lugar. Uno de los experimentos que realizaremos consiste básicamente en comprender el principio con el cual los aviones pueden volar, para esto se observará lo que sucede con el dispositivo proporcionado para la práctica, y haremos conclusiones sobre dicho fenómeno. El segundo experimento que realizaremos se enfocará en que sucede con las presiones manométricas en las distintas zonas de un tubo de Venturi cuando aire fluye dentro de él. Asimismo una esfera será sometida a un flujo de aire (chorro de aire), y observaremos lo que sucede. De acuerdo con el procedimiento utilizaremos hojas de papel para simular un puente, y veremos lo que sucede al soplar debajo de él, lo mismos se hará con dos hojas paralelas a l soplar entre ellas. Finalmente se hará una comprobación experimental del teorema de Torricelli. Una vez realizados todos estos experimentos, se realizarán las respectivas conclusiones de los fenómenos observados. INTRODUCCIÓN. Fluidos en movimiento Cuando un fluido está en movimiento, su flujo se puede caracterizar de dos maneras. Se dice que el flujo es laminar o de régimen estacionario, si toda partícula que pasa por un punto específico se desplaza exactamente a lo largo de la trayectoria uniforme seguida por las partículas que pasaron antes por ese punto. La trayectoria se conoce como una línea de corriente. Las diferentes líneas de corriente no pueden cruzarse unas a otras en esta condición de flujo estable, y la línea de corriente en cualquier punto coincide con la dirección de la velocidad del fluido en ese punto. Por otra parte, el flujo de un fluido se hace irregular, o turbulento, cuando su velocidad es superior a cierto límite o en cualquier condición que cause cambios abruptos de velocidad. Admitiremos que el fluido no es viscoso, es decir, que no hay rozamiento entre las capas del fluido que pueden dar lugar a pérdida de energía mecánica. Nuestro estudio de hidrodinámica se limitará solamente a los fluidos incompresibles (densidad constante), no viscosos y en régimen estacionario. Teorema de Bernoulli Principio físico que implica la disminución de la presión de un fluido (líquido o gas) en movimiento cuando aumenta su velocidad. Fue formulado en 1738 por el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli, y anteriormente por Leonhard Euler. El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión. A medida que un fluido se desplaza a través de un tubo de sección transversal y elevación variables, la presión cambia a lo largo del tubo. La ecuación de Bernoulli no es una ley física independiente, sino una consecuencia de la conservación de la energía aplicada al fluido ideal. Ésta es la ecuación de Bernoulli, la cual se suele expresar como P+12ρv2+ρgy=constante Esta ecuación se aplica para un fluido incompresible, no viscoso y de régimen estacionario, entre dos puntos cualesquiera del mismo, de la siguiente manera: P1+12ρv12+ρgy1=P2+12ρv22+ρgy2 La ecuación de Bernoulli establece que la suma de la presión (P), la energía cinética por unidad de volumen (12ρv2) y la enetgía potencial por unidd de volumen (ρgy) tienen el mismo valor en todos los puntos a lo largo de una línea de corriente. Teorema de Torricelli Si se tiene un depósito muy grande, abierto a la presión atmosférica, y se practica un pequeño orificio a una profundidad h, la velocidad con la que sale el fluido del recipiente está dada por: v=2gh . La velocidad de salida es la misma que adquiere un cuerpo que cae libremente, partiendo del reposo, desde la misma altura. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Durante esta práctica se desarrollaron una serie de experimentos y observaciones que se describen a continuación y que sirvieron de mucha ayuda para una mejor comprensión del estudio de los fluidos en movimiento. Los experimentos realizados serán descritos de acuerdo al orden en que éstos se dieron en la práctica, en cada uno de ellos se adjuntará una fotografía que ilustre el fenómeno acontecido. Experimento 1: Fuerzas dinámicas de Sustentación y Arrastre. En este experimento se pretende entender el principio con el cual los aviones logran elevarse y mantenerse en el aire, partiendo de la ecuación de Bernoulli, la cual se aplica a los fluidos en movimiento. El equipo que se utilizó fue: una pieza de madera, la cual tiene una forma idéntica a la del ala de un avión real, un ventilador (túnel de viento), el cual simula el flujo de aire que circula alrededor de las alas de un avión; dos dinamómetros, el primero mide la fuerza vertical resultante que se generaba por el paso del aire alrededor del ala de avión, y el segundo mide una fuerza que se opone al movimiento del ala, llamada fuerza de arrastre. Primero se conecta el equipo que se va a utilizar. Luego, encendemos el ventilador; en primera instancia, con una baja intensidad. Se aumenta progresivamente el flujo de aire y observamos qué sucede con la pieza que simula al ala de un avión, es decir, observamos si sube, baja o se mantiene en equilibrio. Observamos además lo que marcan los dos dinamómetros. -1193803105152890520310515Dispositivo que simula el movimiento del aire alrededor de las alas de un avión, y que además mide las fuerzas que se generan en este fenómeno. Experimento 2: Tubo de Venturi. En este experimento observaremos que sucede en diferentes zonas del tubo de Venturi, En cuanto a la presión manométrica, cuando aire fluye dentro de él. Para esto utilizaremos un de Venturi (una sección ancha y otra angosta), al cual se ha adaptado un ventilador, el cual proporciona el flujo de aire necesario para las observaciones a realizar. Además, se colocan de manera consecutiva una serie de mangueras a los lados del tubo, las mismas que irán desde la parte más ancha a la parte más angosta y que terminarán en un recipiente que contiene un líquido rojo, el fin de colocar éstas mangueras es el de utilizarlas como manómetros, es decir, nos servirán para observar las variaciones de presiones que dan a lo largo del tubo. Primero encendemos el ventilador con una determinada intensidad, en ese momento observaremos el líquido rojo dentro de las mangueras, es así como podremos identificar si las presiones manométricas son positivas o negativas. Este proceso se repite, utilizando el ventilador con diferentes intensidades (diferentes velocidades de flujo), y siempre nuestra mirada estará en los manómetros adaptados al tubo (mangueras), así podremos explicar los principios físicos con los cuales lo fenómenos observados se pueden dar. 2766695213360156845299085 Tubo de Venturi: el ventilador se encuentra en el extremo derecho del tubo y las mangueras son colocadas a lo largo del mismo. Experimento 3: Esfera y chorro de aire. En este experimento observaremos lo que sucede con una esfera (o pelota de ping-pong), cuando un flujo de aire (chorro de aire) se mueve alrededor de ella. Para esto utilizaremos un ventilador, indicado en la fotografía adjunta, el cual será el encargado de proporcionar el flujo de aire necesario para las observaciones que se realizarán en este experimento. Primero colocamos el ventilador de forma vertical y ponemos la esfera en la boca del ventilador. Luego encendemos el ventilador, y observamos qué sucede con la esfera, es decir, si ésta se cae, se va hacia arriba o se mantiene flotando. Anotamos las observaciones. Después variamos poco a poco la inclinación del ventilador y asimismo observamos qué sucede con la esfera, y anotamos las observaciones. Finalmente se apaga el ventilador y una vez más realizamos la observación referente a qué sucede con la esfera al realizar ésta acción. Anotamos las observaciones. 3014345220980737870363855 El ventilador proporciona un flujo de aire, el cual se mueve alrededor de la esfera. Experimento 4: Hojas paralelas. En este experimento se sujetan dos hojas de papel con los dedos, dejando un espacio de 2 cm entre ellas. Soplamos entre las hojas de papel, y observamos lo que sucede con ellas. Registrar las observaciones realizadas. 168084577470 Hojas paralelas. Experimento 5: Puente de papel. En este experimento, hacemos un puente sencillo con una hoja de papel de 18 cm x 4cm. Lo colocamos sobre la mesa y soplamos debajo del puente, y observamos lo que sucede con éste. Registrar las observaciones realizadas. 179514590170 Puente de papel. Experimento 6: Teorema de Torricelli. En este experimento se pretende comprobar el teorema de Torricelli. Para esto, utilizaremos una lata vacía de una altura mínima de 20 cm, un clavo, una regla y agua. Primero hacemos dos orificios en la lata vacía, uno en la mitad de la lata y el otro en la parte inferior de la misma. Colocamos la lata a una altura h por encima de la mesa, esta altura debe medir lo mismo que la distancia que separa los orificios. Llenamos de agua la lata, debemos procurar que se mantenga llena. Dejamos que salga el agua por los orificios, y observamos lo que sucede, especialmente con los dos chorros de agua. Registrar las observaciones realizadas. 1557020256540 Teorema de Torricelli. RESULTADOS. Datos. En esta sección se presentarán las observaciones que se realizaron en cada uno de los experimentos. Experimento1. Lo que pudimos observar en este experimento fue que, al encender el ventilador, es decir cuando fluía aire por el túnel, el ala se movía hacia arriba, además los dinamómetros marcaban valores distintos de cero (la plumas se movían constantemente). Al apagar el ventilador, el ala regresaba a la posición original. Experimento2. En este experimento se observó que cuando el aire se movía dentro del tubo de Venturi, los manómetros adaptados a los lados del tubo, marcaban distintas presiones en distintas secciones del mismo. Se pudo observar además que en la zona donde el área del tubo es menor, se producía una presión manométrica negativa, se veía como si el tubo succionara el líquido de las mangueras. Como una actividad se identificaba las zonas de mayor y menor presión. Experimento3. En el experimento de la esfera y el chorro de aire, se observó que ésta se mantenía levitando en el aire mientras el ventilador estaba encendido. La esfera no caía, sino que permanecía en equilibrio en el aire. Lo mismo sucedía cuando cambiábamos la inclinación del ventilador, la esfera permanecía equilibrio en el aire. Al apagar el ventilador se pensaba que la esfera caería verticalmente, lo cual sorprendentemente no fue así, sino que la esfera regresaba a la boca del ventilador. Experimento4. Cuando se realizó el experimento de las hojas de papel paralelas, se pudo observar que al soplar entre las hojas, éstas se juntaron. Se realizó el procedimiento indicado en secciones anteriores, y en todas las experiencias se obtuvieron los mismos resultados. Experimento5. Al realizar el experimento del puente de papel, observamos claramente que al soplar debajo de él, las paredes del mismo tendían a juntarse. Al soplar un poco más fuerte, el puente se caía. Los resultados fueron los mismos para los diferentes intentos realizados. Experimento6. En el experimento que correspondía la demostración del teorema de Torricelli, se pudo observar que si el nivel de agua de la lata se mantenía constante, y la altura a la cual se colocaba la lata sobre la mesa era la misma distancia que separaba los orificios; los dos chorros de agua tenían el mismo alcance horizontal, es decir los chorros caían en un mismo punto. Explicación de los fenómenos observados. Es necesario realizar una breve explicación de lo que sucedió en cada experimento realizado, de esta, manera comprenderemos mejor las aplicaciones de los fluidos en movimiento. Experimento1. La razón por la cual el ala se movía hacia arriba era porque la presión en la parte superior disminuía por la velocidad del aire en esa región, el aire que circulaba por debajo del ala con una menor velocidad y por ende con una mayor presión, producía que con esta diferencia de presiones multiplicada por el área proyectada por el área del ala genere una fuerza resultante hacia arriba la cual producía el movimiento del ala. Además el aire se oponía al movimiento del ala relativo a él. Experimento2. Cuando el aire se movía en las zonas donde el área del tubo era pequeña, su velocidad era mayor que en las zonas donde el área es mayor. Esto producía que en las zonas donde el área era pequeña, la presión del aire disminuyera, tanto así que la presión manométrica se hacía negativa, es decir se creaba una especie de succión, que era lo que se observaba en los manómetros cuando el aire circulaba por dichas zonas. Experimento3. Debido a que el aire que circulaba por la parte de atrás de la esfera lo hacía con una mayor velocidad que el aire que circulaba por la parte de adelante, se producía una diferencia de presiones que multiplicada por el área proyectada por la esfera generaba una fuerza de sustentación, la cual a su vez se equilibraba con el peso, es por esto que la esfera se mantenía en equilibrio vertical. Cuando se apagaba el ventilador, ocurría lo contrario, por lo cual la esfera no caía verticalmente sino que regresaba al ventilador. Experimento4. Las hojas de papel se juntaron porque entre ellas hubo una disminución de presión a causa del aire que soplamos, lo que produjo que el aire alrededor de ellas ejerza una mayor presión y por ende hizo que se juntaran. Experimento5. El aire que soplamos debajo del puente de papel produjo una disminución de presión, lo que produjo que el aire alrededor de él ejerza una mayor presión y por ende hizo que las paredes del puente tiendan a juntarse.. Experimento6. La razón por la cual los chorros de agua caían en un mismo punto era porque la altura a la cual se colocaba la lata por encima de la mesa era igual a la distancia de separación de los orificios, de otra manera no se podría asegurar que los chorros coincidirán en el alcance horizontal. Cálculos. En esta sección se presentarán un análisis específico de los de los experimentos que se realizaron en esta práctica. Los experimentos serán: Experimento 1 y Experimento 6. Experimento 1. En este experimento se mostraba como se generaban dos fuerzas dinámicas, de sustentación y arrastre, las cuales explican como un avión puede elevarse y mantenerse en el aire. 1 m2m131877055245 2 Como el flujo másico de aire es constante, es decir, la cantidad de aire que entra es la misma cantidad de aire que sale, se cumple el principio de conservación de la masa. Las partículas de aire que pasan por la parte superior del ala, por tener una mayor trayectoria que las partículas que pasan por debajo debido al perfil del ala, tienen una mayor velocidad. Es decir, la velocidad del aire que pasa por el punto 1 es mayor que la velocidad del aire que pasa por el punto 2. De acuerdo con la ecuación de Bernoulli, esto implica que la presión del aire en la parte superior del ala es menor que la presión en la parte inferior. La diferencia de estas presiones multiplicada por el área proyectada genera una fuerza llamada de sustentación, la cual permite a los aviones elevarse y mantenerse en el aire. v1>v2⇒ P1,[object Object]](https://image.slidesharecdn.com/informe3hidrodinmica-091213010316-phpapp02/85/informe3-hidrodinmica-1-320.jpg)
